Frequently Asked Questions: The Higgs!
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Why have we tried so hard to find the Higgs particle? How does the Higgs mechanism work? What is the difference in physics between strong evidence and a discovery? Why do physicists speak in terms of "sigmas"? Find out here!
- Why have we tried so hard to find the Higgs particle?
Because it could be the answer to the question: how does Nature decide whether or not to assign mass to particles?
| All the fundamental particles making up matter – the electron, the quarks, etc. – have masses. Moreover, quantum physics requires that forces are also carried by particles. The W and Z particles that carry the weak force responsible for radioactivity must also have masses, whereas the photon, the carrier of the electromagnetic force, has no mass at all. This is the root of the “Higgs problem”: how to give masses to the fundamental particles and break the symmetry between the massive W and Z and the massless photon? Just assigning masses by hand leads to an inconsistent theory and nonsensical predictions. Nature must therefore have a way of correcting this inconsistency, and the mechanism proposed by Englert, Brout and Higgs could be the answer. |
- How does the Higgs mechanism work?
According to the Englert-Brout-Higgs mechanism, the property that we measure as the ‘mass’ of a particle is the result of a constant interaction with a field that permeates the Universe like a sort of “ether”. The existence of this Englert-Brout-Higgs field is definitively proven by the discovery of the corresponding quantum particle - the Higgs boson.
Originally, the Englert-Brout-Higgs mechanism was put forward to explain why one of Nature’s fundamental forces has a very short range, whereas another similar force has an infinite range. The forces in question are the electromagnetic force (infinite range) – which carries light to us from the stars, drives electricity around our homes, and holds together the atoms and molecules from which we are all made – and the weak force (very short range), which is responsible for radioactivity and drives the energy-generating processes of the stars. Today we know that the electromagnetic force is carried by particles called photons, which have no mass, whereas the weak force is carried by particles called W and Z, which do have mass. Rather like people passing a ball, interacting particles exchange these force carriers. The heavier the ball, the shorter the distance it can be thrown – and the heavier the force carrier, the shorter its range. The W and Z particles were discovered in a Nobel prize winning enterprise at CERN in the 1980s, but the mechanism that gives rise to their mass had not yet been understood, and that’s where the Higgs boson comes in.
The Englert-Brout-Higgs mechanism in its basic form is the simplest theoretical model that could account for the mass difference between photons and the W and Z particles, and by extension could account for the masses of other fundamental particles. The presence of the Englert-Brout-Higgs field enables these forces to cohabit a single unified electroweak theory.
It should not be thought that the Englert-Brout-Higgs field is responsible for all the mass in the Universe. Your interaction with the field actually contributes less than 1 kg to your mass. The remainder comes mainly from the strong force binding quarks inside nucleons, with a tiny contribution from the electromagnetic force that reigns over the atomic and molecular scales.
| Higgs bosons are quantum fluctuations in the Englert-Brout-Higgs field that are visible experimentally only when energy is “injected” into the field. Concentrating the right amount of energy in proton-proton collisions at the LHC excites the Englert-Brout-Higgs field, which resonates at a precise energy corresponding to the mass of the Higgs boson. The Higgs boson appears momentarily before decaying into other particles that the LHC experiments can measure. Some theories predict the existence of multiple Higgs bosons. |
- Is the Higgs boson the only possible answer to the “mass problem”?
No, there are other theories that predict the existence of different mechanisms to explain how Nature deals with the mass problem. For example, there are rival theories that suggest the existence of extra dimensions of space.
Also, despite the fact that we see strong evidence of its existence, we do not yet know whether the Higgs boson is an elementary particle as postulated in the Standard Model, or some more complex object. Nor do we know whether there is only one Higgs boson or if there are more of them. Further studies and analysis will have to be carried out to reply to these questions.
- Why is it called the “God particle”?
The term was coined for Leon Lederman's popular science book on particle physics: “The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?”
- Is Peter Higgs the only theorist who proposed this mechanism as a solution to the “mass conundrum”?
No. In 1964 independently and almost simultaneously, The theory of the Higgs field was proposed by three groups of physicists: François Englert and Robert Brout, Peter Higgs, and Gerald Guralnik, C. R. Hagen, and Tom Kibble. However, Peter Higgs was the only one of these who pointed out explicitly the existence of the particle that bears his name and calculated some of its properties.
- What is the difference in physics between “strong evidence” and a discovery? Why do physicists speak in terms of “sigmas”?
The Higgs boson cannot be observed directly because its lifetime is too short for our apparatus. At the end of its life, the boson decays and transforms into other particles, and the detectors may detect these decay products. As an example, one of the ways a Higgs particle can decay is into two photons, which can then be detected. However, there are many other processes that also produce two photons, so researchers compare the number of so-called “two-photon events” measured with the number expected from known processes. They do this for all the possible decay modes, and only when they see a statistically significant excess of events can scientists claim a discovery.
In particle physics, people talk of 95% confidence levels, which means that a given signal, such as that for a Higgs particle decaying to two photons, has only a 5% chance of being due to a statistical fluctuation. However, 95% confidence is not enough to claim a discovery. For that, the probability of a statistical fluctuation being responsible for the measurement has to be much smaller, less than one in a million. This is what physicists call a five-sigma effect. It is considered the gold standard for significance; six sigmas correspond to one chance in half a billion that the result is a random fluke.
- Why did it take so long to come to such a result?
First of all, accelerators have to be powerful enough to produce the high-energy collisions that allow any given particle to be created. The lowest energy that you need in a collision in order to create a given particle is the mass of the particle itself. However, the particle you are looking for might be produced together with other particles, in which case a higher collision energy would be needed.
In a proton-proton collider such as the LHC, the physics processes are such that the probability to produce a Higgs boson increases considerably when the energy collision is increased. As an example, the Higgs boson production rate in 2011 – when the LHC was operated at 3.5 TeV per beam – was about 27% less than the production rate in 2012, when the LHC is being operated at 4 TeV per beam.
In general, the processes associated with the observation of the Higgs boson are very rare, and therefore statistics come into play. The statistical error, i.e., the expected range of statistical fluctuations, goes down as the inverse of the square root of the data sample size. For example, to halve the error bar you must quadruple the data sample. This is why physicists always try to collect more data: to reduce the size of possible statistical fluctuations.
One might think that, once the analysis is defined, it is just a matter of passing all the newly accumulated data through those selection criteria in order to extract the type of events we want to study. However, producing new results requires an incredible number of checks and cross-checks.
| The analysis technique works as follows: a theoretical model is used to predict what phenomena and particles might be seen, and experimental physicists estimate what their detector response would be to such events, using complex simulation methods. They do this first for all known processes, so that they can predict the various expected types of events that will come out of the LHC. These simulated events look just like the events collected in the detectors, except they are generated using all our knowledge of what can be produced when protons collide in the LHC. Then the experimentalists determine a series of criteria for selecting new physics, partly defined using simulations. The selection criteria are designed for the sole purpose of spotting a needle in a field full of haystacks. For this, physicists study in detail the characteristics of possible interesting events (such as the Higgs boson), comparing these characteristics with those of known processes. At this stage, the name of the game is to isolate the signal from all other types of events, which physicists refer to as background. Most of the time, the background constitutes the bulk of all collected events. The final step is to compare the simulations of the known processes that survive the selection criteria to the collected data set. In some cases, comparison with simulations might not be necessary, and physicists may just need to subtract potential Higgs signals from the background directly inferred from the actual data. |
The more data are collected, the more precise these comparisons get, making the result more significant. In the end, the goal is to produce absolutely trustworthy results, excluding flaws, bugs and oversights.
- What are the next steps?
The data recorded so far in 2012 have not been completely analysed, and the LHC is still taking data. Further analysis is needed and ongoing. Despite the strong evidence for its existence, the properties of the Higgs boson need to be explored and understood.
As the particle is identified and studied more completely, the physics models will have to be updated (also read Question 9).
In the meantime, the LHC will continue its scientific programme of which the Higgs is only one item. By exploring the world of infinitely small particles, physicists hope to provide answers to the origin and fate of our universe. What happened just after the Big Bang? Why did matter dominate over anti-matter when, in laboratory settings, they are created in equal amounts? Finding out what dark matter is made of is certainly high on the LHC agenda, even if popular models such as supersymmetry have not manifested themselves yet, despite all our attempts at unveiling them. What would you say if you found out we do not live in a four-dimensional world (three dimensions of space and one of time), but rather one containing extra hidden dimensions? There are enough strange, puzzling questions and even stranger possible answers to blow your mind!
In particle physics as in other research fields, scientists will continue to study how the Universe works. With the Higgs, the Universe has disclosed just one of its numerous mysteries.
- What is the impact of such a Higgs boson on the current description we use for the Universe?
The Higgs boson will complete our description of the visible matter in the Universe, and of the fundamental processes governing the Big Bang since it was a trillionth of a second old. The Higgs boson may have played a role in generating the matter in the Universe, and may be linked to dark matter. It may even provide a clue how the Universe inflated to its present size. On the other hand, the Higgs boson is a very different particle from the others we know, and poses almost as many questions as it answers. For example, what determines the mass of the Higgs boson and the density of dark energy? According to conventional ideas, both should be much larger than their observed values. The quest continues.
Other (French)
Pourquoi tant d’efforts déployés pour trouver le Higgs ? Comme fonctionne le mécanisme de Higgs ? Quelle est la différence entre un « indice probant » et une découverte ? Pourquoi les physiciens parlent-ils de « sigmas » ? Découvrez-le ici !
- Pourquoi tant d’efforts déployés pour trouver le Higgs ?
Parce qu’il pourrait apporter une réponse à une question essentielle : qu’est-ce qui fait que certaines particules ont une masse et d’autres non ?
| Toutes les particules fondamentales qui constituent la matière - l'électron, les quarks, etc. - ont une masse. De plus, d’après la physique quantique, les forces sont également portées par des particules. Les particules W et Z qui portent la force faible, responsable de la radioactivité, doivent également avoir une masse, alors que le photon porteur de la force électromagnétique n'a pas de masse du tout. C’est là la racine du « problème du Higgs » : comment donner une masse aux particules fondamentales et expliquer la brisure de symétrie entre les particules W et Z, qui sont massives, et le photon, dépourvu de masse ? Si l’on se contente de distribuer les masses au jugé, on aboutit à une théorie incohérente et à des prédictions absurdes. Il doit y avoir un moyen de corriger cette incohérence, et le mécanisme constitué par le champ proposé par Englert, Brout et Higgs pourrait être la réponse. |
- Comment fonctionne le mécanisme de Higgs ?
Selon le mécanisme de Englert-Brout-Higgs, la propriété que l’on mesure à l'échelle macroscopique comme étant la « masse » est le résultat, en termes plus microscopiques, d’une constante interaction avec un champ présent dans l’Univers comme une sorte d'« éther ». L’existence de ce champ de Englert-Brout-Higgs est prouvée de façon définitive par la découverte de la particule quantique correspondante – le boson de Higgs.
Initialement, le mécanisme d’Englert-Brout-Higgs fut proposé pour expliquer pourquoi l’une des forces fondamentales de la nature a une portée très courte, alors qu’une autre force similaire a une portée infinie. Les forces en question sont, d’une part, la force électromagnétique (portée infinie) - qui nous amène la lumière venue des étoiles, fournit à nos foyers l’électricité et donne leur structure aux atomes et aux molécules qui nous constituent - et, d’autre part, la force faible (portée très courte) - qui est responsable de la radioactivité et produit l’énergie à l’origine des processus qui se passent dans les étoiles. Aujourd’hui, nous savons que la force électromagnétique est portée par des particules appelées photons, qui n’ont pas de masse, alors que la force faible est portée par les particules appelées W et Z, qui, elles, en ont une. Un peu comme des enfants qui se lancent un ballon, les particules en interaction échangent ces porteuses de force. Plus le ballon est lourd, plus la distance à laquelle il peut être lancé est courte ; de même, plus la porteuse de force est lourde, plus sa portée est courte. Les particules W et Z ont été découvertes grâce à un projet mené au CERN dans les années 1980, qui fut couronné d’un prix Nobel. Cependant, le mécanisme qui explique la masse de ces particules n'a pas encore été compris, et c’est là que le boson de Higgs entre en jeu.
Le mécanisme d’Englert-Brout-Higgs, dans sa formule fondamentale, est le modèle théorique le plus simple susceptible d’expliquer la différence de masse entre les photons et les particules W et Z ; par extension, ce mécanisme pourrait expliquer les masses d’autres particules élémentaires. La présence du champ d’Englert-Brout-Higgs permet à ces forces de cohabiter en une seule théorie électrofaible unifiée.
Il ne faut cependant pas penser que le champ d’Englert-Brout-Higgs est responsable de toute la masse présente dans l’Univers. Votre interaction avec ce champ de Higgs contribue en fait pour moins d’1 kg à votre masse. Le reste de la masse vient essentiellement de la force forte, qui lie les quarks à l’intérieur des nucléons, avec une contribution minime de la force électromagnétique, qui agit à l'échelle atomique et à l'échelle moléculaire.
| Les bosons de Higgs sont des fluctuations quantiques du champ d’Englert-Brout-Higgs qui ne sont visibles expérimentalement que lorsque de l’énergie est « injectée » dans le champ. La concentration de la quantité d’énergie adéquate dans les collisions proton-proton au LHC excite le champ d’Englert-Brout-Higgs, qui entre alors en résonance à une énergie bien précise, celle qui correspond à la masse du boson. Le boson de Higgs se forme transitoirement avant de se désintégrer en d’autres particules, que les expériences du LHC peuvent mesurer. Certaines théories prédisent l’existence de plusieurs bosons de Higgs. |
- Le boson de Higgs est-il la seule réponse possible à l’énigme de la masse ?
Non, d’autres théories ont recours à d’autres mécanismes pour expliquer le phénomène de la masse. Ainsi, par exemple, certaines théories concurrentes envisagent l'existence de dimensions supplémentaires de l'espace.
Par ailleurs, même si nous observons un indice probant de son existence, nous ne savons pas encore si le boson de Higgs est une particule élémentaire conforme à celle prédite par le Modèle standard, ou un objet plus complexe. De même, nous ne savons pas s’il existe une ou plusieurs sortes de bosons de Higgs. D’autres études et analyses seront nécessaires pour répondre à ces questions.
- Pourquoi l’appelle-t-on « particule de Dieu » ?
Le terme vient du livre de Leon Lederman sur la physique des particules, intitulé : « Une sacrée particule : si l’Univers est la réponse, quelle est la question ? ».
- Peter Higgs est-il le seul théoricien à avoir proposé une solution à l'énigme de la masse ?
Non. En 1964, la théorie du champ de Higgs a été proposée de manière indépendante et presque simultanée par trois groupes de physiciens : François Englert et Robert Brout, Peter Higgs, et Gerald Guralnik, C. R. Hagen, et Tom Kibble. Toutefois, parmi ces physiciens, Peter Higgs est le seul qui ait envisagé explicitement l’existence de la particule qui porte son nom et a calculé certaines de ses propriétés.
- Quelle est la différence entre un « indice probant » et une découverte ? Pourquoi les physiciens parlent-ils de « sigmas » ?
Le boson de Higgs ne peut pas être observé directement car sa durée de vie est trop brève pour nos expériences. En fin de vie, le boson se désintègre et se transforme en d’autres particules, qui peuvent être observées par les détecteurs. Par exemple, l’une des façons pour une particule de Higgs de se désintégrer est de produire deux photons, qui peuvent alors être détectés. Malheureusement, beaucoup d’autres processus produisent également deux photons : les scientifiques comparent donc le nombre d’événements « à deux photons » au nombre attendu avec des processus déjà connus. Ils procèdent ainsi pour tous les modes de désintégration possibles, et ce n’est que lorsqu’ils constatent un excédent d’événements statistiquement significatif qu’ils peuvent parler de découverte.
En physique des particules, on parle de degré de confiance de 95 %, ce qui signifie qu’un signal donné, tel celui d'une particule de Higgs produisant deux photons, n’a que 5 % de chances d'être le résultat d'une simple fluctuation statistique. Cependant, un degré de confiance de 95 % n’est pas suffisant pour qu’on puisse annoncer une découverte. Pour cela, il faut que la probabilité d’une fluctuation statistique soit beaucoup plus faible, inférieure à une chance sur un million. C’est ce que les physiciens appellent un effet de cinq sigmas. Ce chiffre est considéré comme étant la référence du point de vue de la signification statistique ; le chiffre de six sigmas correspond à une chance sur 500 millions que le résultat soit la conséquence de fluctuations dues au hasard.
- Pourquoi a-t-il fallu autant de temps pour arriver à ce résultat ?
Tout d’abord, les accélérateurs doivent être suffisamment puissants pour occasionner les collisions à haute énergie permettant la production d’une particule donnée. L’énergie la plus basse requise dans une collision pour produire une particule donnée est la masse de la particule en question. Mais il ne faut pas oublier que la particule qu'on cherche peut être produite en association avec d'autres particules, ce qui suppose alors une énergie de collision plus élevée.
Dans un collisionneur proton-proton tel que le LHC, les processus de physique sont tels que la probabilité de produire un boson de Higgs augmente considérablement avec l'énergie de collision. À titre d’exemple, le taux de production de signaux de Higgs en 2011 – alors que le LHC fonctionnait à 3,5 TeV par faisceau – était inférieur d’environ 27 % au taux de production en 2012, avec une exploitation du LHC à 4 TeV par faisceau.
En général, les processus associés à l’observation du boson de Higgs sont très rares, et c’est là que les statistiques entrent en jeu. L’erreur statistique, c’est-à-dire l'intervalle attendu des fluctuations statistiques, diminue comme l'inverse de la racine carrée de la taille de l'échantillon. Ainsi, pour diviser par deux la marge d’erreur, vous devez quadrupler l’échantillon de données. C’est pourquoi les physiciens s’efforcent toujours de recueillir un maximum de données : cela permet de réduire la taille des fluctuations statistiques possibles.
On pourrait croire que, une fois les critères d’analyse définis, il n’y a plus qu’à faire passer les nouvelles données accumulées au crible de ces critères pour extraire le type d’événements que nous voulons étudier. Toutefois, pour produire de nouveaux résultats, il faut procéder à un nombre impressionnant de vérifications et de contre-vérifications.
| On peut décrire la technique d'analyse comme suit : on s’appuie sur un modèle théorique pour prédire les nouveaux phénomènes et les nouvelles particules susceptibles d’être observés, et, au moyen de méthodes de simulation complexes, les physiciens reproduisent ce que serait la réponse de leurs détecteurs à de tels événements. Ils le font d'abord pour tous les processus connus, afin de pouvoir prédire les différents types attendus d’événements produits au LHC. Ces événements simulés ressemblent exactement aux événements enregistrés par les détecteurs, à ceci près qu'ils ont été générés en s’appuyant sur notre connaissance de ce qui peut être produit par des collisions de protons dans le LHC. Ensuite, les expérimentateurs déterminent une série de critères pour la mise en évidence de la nouvelle physique, qui sont en partie définis à partir de simulations. Les critères de sélection sont faits pour nous permettre de retrouver une aiguille dans un grenier rempli de meules de foin. Pour cela, les physiciens étudient en détails les caractéristiques d’événements intéressants possibles (par exemple le boson de Higgs), en comparant ces caractéristiques avec celles d’autres types de processus connus. À ce stade, le but du jeu est d’isoler le signal de tous les autres types d’événements, qui constituent ce que les physiciens appellent le bruit de fond. La plupart du temps, le bruit de fond constitue l’essentiel des événements enregistrés. L'étape finale consiste à comparer la somme de toutes les simulations de processus connus qui franchissent la barrière des critères de sélection pour arriver à l’ensemble de données collectées. Dans certains cas, la comparaison avec des simulations n’est pas nécessaire, et les physiciens ont simplement à extraire des signaux de Higgs potentiels du bruit de fond déduit des données réelles. |
Plus on collecte de données, plus les comparaisons sont précises, ce qui rend le résultat plus significatif. En fin de compte, l'objectif est d'arriver à des résultats absolument fiables, excluant les biais, les erreurs et les omissions.
- Quelles sont les étapes suivantes ?
Les données enregistrées en 2012 jusqu’à présent n’ont pas été complètement analysées, et le LHC continue l’acquisition de données. Il est donc nécessaire de poursuivre l’analyse, ce qui est en cours. Malgré les indices probants de l’existence du boson de Higgs, les propriétés de cette particule restent à étudier.
Une fois la particule identifiée et étudiée plus complètement, il faudra encore actualiser les modèles de physique (voir la question 9).
Entre-temps, le LHC poursuivra son programme scientifique, dont le Higgs ne constitue qu’une partie. En explorant le monde des particules infiniment petites, les physiciens espèrent donner des réponses aux questions relatives à l'origine et à la destinée de notre univers. Que s’est-il passé immédiatement après le Big Bang ? Pourquoi la matière a-t-elle pris le dessus sur l’antimatière, alors que, en laboratoire, matière et antimatière sont toujours produites en quantités égales ? Découvrir de quoi est faite la matière noire est certainement une des priorités du LHC, même si des modèles très en vogue, comme la supersymétrie, ne se sont pas encore manifestés malgré tous nos efforts pour les mettre au jour. Et si nous vivions, non pas dans un univers en quatre dimensions (trois dimensions d’espace et une de temps), mais dans un monde contenant des dimensions supplémentaires, qui restent cachées ? Voilà des questions bien étranges, auxquelles on apportera peut-être des réponses encore plus étranges ; de quoi donner le vertige.
En physique des particules, comme dans d’autres domaines de recherche, les physiciens continuent à étudier comme fonctionne l’Univers. Avec le Higgs, l’Univers a dévoilé l’un de ses mystères, mais il y en a d’autres.
- Quel est l’impact d’un tel boson de Higgs sur notre description actuelle de l’Univers ?
Le boson de Higgs viendra compléter notre description de la matière visible de l’Univers, et des processus fondamentaux à l’œuvre dans le Big Bang après un millième de milliardième de seconde. Le boson de Higgs pourrait avoir joué un rôle dans l'origine de la matière de l’Univers, et pourrait être lié à la matière noire. Il pourrait même donner une explication sur l'expansion par laquelle l'Univers a atteint sa dimension actuelle. D’un autre côté, le boson de Higgs est une particule bien différente des autres particules connues, et il pose autant de questions qu’il apporte de réponses. Par exemple, qu’est-ce qui détermine la masse du boson de Higgs, et la densité de l’énergie noire ? D’après la théorie classique, ces deux valeurs devraient être beaucoup plus grandes que les valeurs observées. La quête continue.
Additional details
Identifiers
- CDS
- 1459456
- CDS Report Number
- BUL-NA-2012-223
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