Everything you always wanted to know about the Higgs boson but were afraid to ask…
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The God particle, the particle that gives mass to all other particles, the main reason for building the LHC, the missing piece of the Standard Model... Although all this is enough to generate reams of headlines and long articles in the world’s press, it doesn’t explain the true nature of the famous particle at all. The Bulletin discovers the Higgs boson in theory before the LHC does it in practice (if it exists!).
Named after one of the scientists who originally proposed the theory, the Higgs boson is thought to have no electric charge, and no spin. As for its mass, unsuccessful searches at LEP and precise measurements of the weak interactions put it in the range of 114 to ~200 GeV. This is true if we stay strictly within the Standard Model: the collection of theories embodying our current understanding of the behaviour of particles. In the presence of new physics beyond the Standard Model, its mass could be as great as ~1000 GeV, but no greater as this limit is set by the fundamental laws of Nature. The Higgs mass range has defined the technical parameters of the LHC, in particular the collision energy and the luminosity. “The LHC parameters and the performance of the detectors are optimized to find the Higgs boson of the Standard Model, as well as whatever may replace it in the task of giving mass to particles”, says Michelangelo Mangano from the Theory group. That is to say, a yet undiscovered particle must exist out there and the LHC will see it. Whether or not this is the Higgs boson with the properties predicted by the corresponding theory remains to be seen.
But why does Nature seem to need such a new particle so much? In Nature there are two fundamental types of particles: left-handed and right-handed (see box for explanation). “Left-handed particles feel the weak interaction – responsible for the observed radioactive phenomena – whereas right-handed particles don’t. Handedness acts as a sort of charge for the weak force, 1 for left-handed, 0 for right-handed”, explains Mangano. Particles that have a mass, however, will be observed as left-handed or right-handed, depending on the reference frame chosen by the observer (see box for details). On the other hand, natural phenomena cannot depend on the specific reference system in which scientists do their calculations, and whether or not particles feel the weak force cannot just be such an ill-defined property. Now you see the problem: where does the weak charge of a left-handed particle (1) disappear to while it is observed as right-handed (0)? Furthermore, how does Nature decide whether or not to assign a mass to particles (therefore causing the particle quandary)?
According to the Higgs mechanism, the property that we measure macroscopically as ‘mass’ is the result, , in more microscopic terms, of a dynamic exchange of quanta between a permanently mass-less particle and the field that permeates the Universe. “A massive particle keeps ‘flipping’ from a left-handed state to a right-handed state, exchanging a weakly-charged Higgs quantum with the ‘ether’. The ‘ether’ stores the weak charge of the left-handed state while it becomes right-handed. In this way the weak charge is always conserved, and no paradox is encountered”, says Mangano.
Whether the Higgs field is an elementary particle as postulated in the Standard Model or some more complex object and whether there is only one or there are more of them, the problem of understanding the existence of massive particles in a left-handed world requires the existence of a new phenomenon. The LHC experiments are expected to provide the final word and solve this enigma. However, be patient… given the complexity of the problem and the rarity of the phenomena that can experimentally reveal the boson’s existence, several years of data-taking and analysis will be needed to sort out the puzzle.
Further reading: The Higgs particle: a useful analogy for physics classrooms.
Box – Right-handed and left-handed particles
In particle physics, the spin (S in the picture below) is a fundamental property of particles, which is represented by a quantum number. The allowed values of S are: 0, 1/2, 1, 3/2, 2, etc. Particles with half-integer spin are known as fermions. Examples of fermions include: electrons, positrons, quarks that make up the protons and neutrons, and neutrinos. Particles with integer spin are known as bosons. Examples include the Higgs boson, the gluon, the photon, etc. Most of the known elementary bosons have spin=1. The exceptions are the Higgs boson, expected to have S=0, and the graviton, expected to have S=2.
The spin of a particle is used to define its handedness: a particle is right-handed if the direction of its spin is the same as the direction of its motion. The particle is left-handed if the directions of spin and motion are opposite.
However, because the direction of motion depends on the reference system, if we take a reference system moving faster than the particle (something that is always possible for massive particles that cannot move at the speed of light), the particle will appear left-handed in this reference frame even if it was right-handed in another system.
Other (French)
Particule de Dieu, origine de la masse de toutes les autres particules, principale raison d’être du LHC, pièce manquante du modèle standard... Ces qualificatifs suffisent à alimenter de nombreux articles de presse et de faire les gros titres du monde entier. Pourtant, ils n'expliquent pas ce qu'est véritablement cette célèbre particule. Le Bulletin part à la découverte théorique du boson de Higgs avant que le LHC ne le fasse en pratique (s’il existe !).
Le boson de Higgs doit son appellation à l’un des chercheurs à l’origine de la théorie du même nom. On pense qu’il n'aurait ni charge électrique, ni spin. Quant à sa masse, selon des recherches infructueuses menées au LEP et des mesures précises des interactions faibles, elle se situerait entre 114 GeV et environ 200 GeV. Cette estimation est correcte si nous restons strictement dans le cadre du modèle standard, qui regroupe les théories qui forment notre compréhension actuelle du comportement des particules. Cependant dans le cadre de théories allant au-delà du modèle standard, sa masse pourrait atteindre 1 000 GeV au maximum, cette limite étant fixée par les lois fondamentales de la nature. Les estimations de la masse du boson de Higgs ont servi à définir les paramètres techniques du LHC, notamment l'énergie de collision et la luminosité. « Les paramètres du LHC et la performance des détecteurs sont optimisés pour découvrir le boson de Higgs du modèle standard, ou toute autre chose qui pourrait attribuer une masse aux particules », explique Michelangelo Mangano, du groupe Théorie. En d'autres termes, il existe forcément une particule à découvrir et le LHC va y parvenir. Reste à savoir s’il s’agit bel et bien du boson de Higgs, doté des mêmes propriétés que celles prédites par la théorie du même nom.
Pourquoi la nature semble-t-elle avoir autant besoin de cette particule ? Dans la nature, il existe deux états d’hélicité pour les particules, qui peuvent être « gauches » ou « droites » (voir encadré). « Les particules gauches sont sensibles à l’interaction faible, dont la radioactivité est la manifestation, contrairement aux particules droites. L’hélicité agit comme une sorte de charge pour la force faible, 1 pour une particule gauche, 0 pour une droite », explique M. Mangano. Les particules possédant une masse pourront néanmoins être considérées comme gauches ou droites, selon le cadre de référence choisi par l’observateur (voir encadré). Toutefois, un phénomène naturel ne peut dépendre d’un système de référence spécifique utilisé par les chercheurs dans leurs calculs, et la sensibilité des particules à la force faible ne saurait être une propriété définie de manière si peu exacte. Vous cernez le problème à présent : où peut bien disparaître la charge faible d’une particule gauche (1) lorsqu’elle apparaît comme droite (0) ? D’autre part, comment la nature décide-t-elle de donner ou non une masse à une particule (entraînant le problème de l’hélicité de la particule) ?
Selon le mécanisme de Higgs, la propriété que l’on mesure à l'échelle macroscopique comme étant la « masse » est le résultat, en termes microscopiques, d’un échange dynamique de quanta entre une particule dépourvue de masse et le champ présent dans l’Univers. « Une particule massive bascule constamment de l’état de particule gauche à celui de particule droite, en échangeant un quantum du champ de Higgs de charge faible avec l’« éther ». L’« éther » retient la charge faible de la particule gauche lorsque celle-ci devient droite. De cette manière, la charge faible est toujours conservée et aucune contradiction n’apparaît », conclut M. Mangano.
Que le boson de Higgs soit une particule élémentaire, comme le veut le modèle standard, ou qu’il s’agisse d’un objet plus complexe, que cette particule soit unique, ou qu'il en existe plusieurs, l’existence d’un phénomène nouveau est nécessaire pour comprendre la présence de particules massives dans un monde où l’hélicité gauche domine. Les expériences du LHC devraient résoudre cette énigme et connaître le fin mot de l’histoire. Toutefois, il faudra être patient... Étant donné la complexité du problème et la rareté des phénomènes qui pourraient prouver expérimentalement l’existence du boson, plusieurs années de collecte de données et d’analyses seront nécessaires pour reconstituer le puzzle.
Pour plus d’informations : lien vers l’article des enseignants.
Encadré – Les particules droites et gauches
En physique des particules, le spin (S dans le dessin ci-dessous) est une propriété fondamentale des particules, qui est représentée par un nombre quantique. Les valeurs permises de S sont : 0,1/2, 1, 3/2, 2, etc. Les particules de spin demi-entier sont des fermions. Parmi les fermions, on trouve les électrons, les positrons, les quarks (qui forment les protons et les neutrons) et les neutrinos. Les particules de spin entier sont des bosons. Parmi les bosons, on trouve le boson de Higgs, le gluon, le photon, etc. La plupart des bosons élémentaires connus ont un spin égal à 1. Les exceptions sont le boson de Higgs (dont le S devrait être égal à 0) et le graviton (dont le S devrait être égal à 2).
Le spin d’une particule sert à définir son hélicité, c’est-à-dire s’il s’agit d’une particule droite ou gauche : une particule est droite si la direction de son spin est la même que celle de son mouvement. Une particule est gauche si la direction de son spin est opposée à celle de son mouvement.
Cependant, parce que la direction du mouvement dépend du système de référence, lorsque l’on choisit un système de référence qui se déplace plus rapidement que la particule (ce qui est toujours possible pour les particules massives qui ne peuvent pas se déplacer à la vitesse de la lumière), la particule apparaîtra comme gauche dans ce cadre de référence, même si elle a auparavant été considérée comme droite dans un autre système.
Files
GraphiqueBosonHiggs(1)_image.jpg
Additional details
Identifiers
- CDS
- 1241788
- CDS Report Number
- BUL-NA-2010-034
Related works
- Is published in
- Periodical issue: 9qf83-5fb17 (CDS)
- Periodical issue: 48pnm-bq841 (CDS)