Le théoricien belge François Englert a reçu le prix Nobel de physique avec Peter Higgs pour la prédiction du boson de Higgs. Il s'agit d'un entretien avec le physicien belge de 2012, juste avant la confirmation de la particule au CERN.
Le théoricien belge François Englert a reçu le prix Nobel de physique avec Peter Higgs pour sa prédiction du boson de Higgs. Il y a cinquante ans, Englert, avec le regretté Robert Brout, prédisait l'existence du boson de Higgs, qui a également été confirmé expérimentalement le 4 juillet 2012 au centre de recherche du CERN à Genève. Eos a parlé à François Englert peu de temps après la confirmation de Higgs l'année dernière.
En ce lundi ensoleillé de juillet, le campus de l'Université Libre de Bruxelles est désert. A part un rare doctorant qui refuse de partir en vacances ou quelques étudiants qui prennent les blocs pour leur deuxième année, il n'y a personne pour se rafraîchir dans les squares herbeux. Mais au septième étage du bâtiment de la tour centrale où les physiciens et les mathématiciens ont leurs bureaux, un autre type de silence règne.
Voilà le repos indispensable dont un physicien théoricien a besoin pour pouvoir réfléchir sur les questions de la nature et de l'univers. François Englert est assis dans l'un des bureaux. Aujourd'hui encore, la chaleur estivale ne le décourage pas de venir ici, comme il le fait presque quotidiennement depuis sa retraite en 1998, pour réfléchir aux lois qui décrivent la nature, et surtout :comment combiner ces lois en une seule globale, de préférence théorie aussi élégante que possible.
François Englert (né en 1932) obtient en 1955 un diplôme d'ingénieur en électronique à l'Université libre de Bruxelles (ULB). Après avoir obtenu son doctorat en 1959, Englert s'installe aux États-Unis, où il commence à travailler comme assistant de recherche de Robert Brout à l'Université Cornell (à New York). En 1961, il revient à Bruxelles et devient professeur de physique théorique à son alma mater, l'ULB. Peu de temps après, son ancien mentor Robert Brout le suivit à Bruxelles, après quoi ils se concentrèrent tous les deux sur la théorie quantique des champs alors émergente - un modèle explicatif de la physique des particules dans lequel ce ne sont pas les particules qui jouent le rôle principal, mais les champs de force.
En 1998, François Englert prend sa retraite. En 2012, on le retrouve presque quotidiennement dans son bureau de l'ULB, où il réfléchit derrière son bureau à un problème non résolu de physique théorique. François Englert a remporté plusieurs prix prestigieux, tels que le prix Francqui (en 1982) et le prix Wolf de physique (avec Robert Brout et Peter Higgs). Cependant, ceux-ci seront bientôt oubliés lorsque Englert deviendra le premier Belge de l'histoire à recevoir la plus grande des distinctions scientifiques :le prix Nobel de physique.
Lorsque le Bruxellois aujourd'hui octogénaire se voit proposer la chaire de physique théorique de l'ULB au début des années 1960, la physique des particules élémentaires en est encore à ses balbutiements. A cette époque, on ne parlait même pas du soi-disant «modèle standard», le vaste cadre de théories dans lequel trois des quatre forces fondamentales de la nature (la gravité est toujours exclue) sont entrelacées. Au début des années 1960, il n'existait même pas d'approche coordonnée en physique théorique pour arriver à ce modèle standard.
Mais d'immenses progrès ont été réalisés au cours de cette "décennie dorée" de la physique des particules, notamment grâce à un article publié par Englert et son collègue Robert Brout à l'été 1964. Dans ce document, Brout et Englert ont proposé un nouveau mécanisme qui «donnerait de la masse à toutes les particules de matière» et qui deviendrait une pierre angulaire de l'édifice du modèle standard ultérieur. Moins de deux mois plus tard, le théoricien britannique Peter Higgs parlait presque du même mécanisme dans le même journal, mais il proposait aussi explicitement une particule encore à découvrir, un nouveau type de boson. C'est en partie pour cette raison que la particule théorique a été appelée le "boson de Higgs" dans les décennies qui ont suivi, et sous ce nom, elle est également devenue mondialement connue cet été.
Il a fallu cinq décennies de développement technologique pour détecter le boson que nous avions prédit
S'il ne se soucie pas de tous ces trucs de Higgs ?
Aime-t-il que tout le monde parle du boson de Higgs, comme si Peter Higgs était le premier à écrire sur le mécanisme de masse ? "Ah, je m'en fous", soupire Englert derrière son bureau. "C'est juste un nom aussi." Au cours de la conversation, cependant, il devient vite évident qu'il n'est pas entièrement satisfait de cela. "Il me semble naturel qu'une découverte porte le nom de ses découvreurs, n'est-ce pas ? D'ailleurs, nous étions les premiers avec notre publication. » D'ailleurs, il y a encore des pirates de l'air sur la côte qui veulent que leur nom soit attaché au boson, dont l'existence a été expérimentalement confirmée en juillet 2012 (voir l'encadré « Higgs, BEH, ou BEHGHK?' ). "Pourtant, je m'attends à ce que cela reste avec Higgs", déclare Englert. « Parce que ce nom est établi depuis des années. Vous ne changez pas quelque chose comme ça du jour au lendemain.'
Mais en fait, Englert préfère de loin parler de son métier, la physique théorique, que de la galère des noms. Et il le fait avec beaucoup de plaisir et de passion. En outre, il insiste sur le fait qu'il peut brièvement cadrer l'importance de la découverte du boson de Higgs dans la réalité plus complexe du modèle standard. Il ne veut pas donner une "vague description" du boson de Higgs comme le font presque tous les médias populaires. «Avec de telles descriptions – qui sont souvent amusantes à lire, je l'admets – une partie de l'exactitude scientifique est toujours perdue, et des informations aveugles prennent rapidement une vie propre. Vous voyez où cela peut mener :certains parlent de la "particule de Dieu", comme si le boson était en quelque sorte élevé au-dessus du proton, de l'électron ou du neutrino."
Même l'expression sobre « le boson de Higgs donne du poids à la nature » dérange Englert. « Même cela est trop myope. Il est vrai que le mécanisme des bosons donne de la masse à certaines particules – d'autres bosons, par exemple – mais certainement pas à toutes les particules de matière. En fait, vous ne pouvez pas l'expliquer correctement sans utiliser des formules mathématiques complexes. (rires) Mais dans ce cas, pouvez-vous toujours dire que vous expliquez quelque chose ?'
Quelle est exactement l'importance de la découverte du boson de Higgs ?
Laissons Englert enseigner un instant :« Au milieu du siècle dernier, nous avions une très bonne description à la fois de la force gravitationnelle et de la force électromagnétique. Ces deux forces nous sont bien connues, car elles agissent à la fois sur de grandes et de petites distances. Il suffisait de regarder les planètes et les étoiles, ou de jouer avec un aimant, pour avoir un aperçu de ces forces. Mais qu'en est-il des forces à l'œuvre dans le noyau atomique, qui maintiennent les protons et les neutrons ensemble et provoquent une désintégration radioactive spontanée ? Parce qu'une fois au-delà du bord extérieur du noyau atomique, ces forces ne fonctionnent plus, ce sont des forces nucléaires dites "à portée courte".
Avec Robert Brout, j'ai conçu un mécanisme qui pourrait expliquer pourquoi la force électromagnétique et la gravité peuvent « porter » sur d'immenses distances, alors que les forces nucléaires ne le peuvent pas. En raison de ce mécanisme, les particules porteuses de force des forces nucléaires, les soi-disant «bosons», ont une masse, contrairement aux photons de la force électromagnétique. Cette masse garantit que ces particules sont relativement lentes et se désintègrent rapidement. C'est ce mécanisme, qui est basé sur ce que l'on appelle la « brisure spontanée de symétrie », que nous avons proposé dans notre article de 1964 et qui fait donc que les bosons des forces nucléaires ont une masse. Plus tard, c'est devenu le mécanisme de Higgs."
Le prix Nobel de physique n'a jamais été décerné à un Belge. Écrivez que je ne veux pas vendre la peau de l'ours tant qu'il n'est pas abattu
Revenons au 4 juillet 2012. Ce jour-là, pour une fois, ce n'était pas la crise qui dominait l'actualité. Non, ce jour-là, la plus grosse nouvelle est venue de Genève, où la découverte du boson de Higgs a été annoncée au laboratoire européen de physique des particules CERN. Une découverte en physique était à la une de tous les journaux. Cela devait remonter à l'époque d'Albert Einstein.
François Englert :« Maintenant que vous en parlez… Je pense que oui. (rires) Bien que je ne sois plus si vieux que je me souvienne encore d'Einstein. Mais d'après ce que j'ai lu sur de vieilles pages de journaux, il faut bien remonter à 1919 pour trouver quelque chose de similaire. Puis, en regardant une éclipse solaire, la théorie de la relativité générale a été confirmée d'une manière inégalée."
« Je pense aussi que le degré de complexité entre les deux théories, la théorie de la relativité d'une part et le modèle standard d'autre part, est comparable. Et pourtant, il y a une grande différence :la théorie d'Einstein avait à voir directement avec la structure de l'univers, avec le théâtre plus vaste et global. Cela plaisait beaucoup aux gens de l'époque, même s'ils n'avaient pratiquement aucune formation scientifique. Il était également lié à des questions plus profondes, voire religieuses. C'est différent avec le modèle standard. Tout commence par une bonne compréhension de la théorie sous-jacente, la mécanique quantique. Les conséquences de cette théorie sont très difficiles à expliquer à un public profane. C'est pourquoi je ne pense pas que la découverte du boson puisse déclencher ces mêmes sentiments chez les gens aujourd'hui. Plutôt une sorte de sentiment wow, mais pas beaucoup plus.'
Vous pensez que c'est une découverte importante, n'est-ce pas ?
'Bien sûr! Mais pour des raisons complètement différentes. Ce qui rend cette découverte si importante est le fait que le mécanisme derrière le boson, proposé par nous et par Peter Higgs, remonte à il y a cinquante ans. Il a donc fallu cinq décennies de développement technologique avant de pouvoir détecter le boson. Cela nécessitait un accélérateur de particules extrêmement puissant, à savoir le Large Hadron Collider. Cela en dit long sur les énormes progrès que nous avons réalisés au cours de la seconde moitié du siècle dernier. »
Le boson est-il vraiment la clé de voûte de la théorie du modèle standard, comme on le prétend souvent ?
"Probablement oui. Cependant, quelques propriétés du boson qui n'ont pas encore été explorées dans les mois à venir pourraient ne pas correspondre tout à fait aux prédictions théoriques. Je pense au nombre de bosons produits par "canal" (le boson peut survenir dans différents types de collisions de particules, chacune formant un canal de production, ndlr). S'ils diffèrent de ce que prédit la théorie, cela signifie que le modèle standard n'est qu'une approximation de la réalité - même si elle est très bonne - et qu'il y a une théorie plus profonde derrière cela.'
On parle beaucoup - en particulier dans les médias belges - de la dénomination de la particule. Vous avez donc élaboré une proposition de compromis, qui parle du "boson scalaire".
« Je veux un nom qui corresponde à la facture. « Scalaire » signifie que le champ de force sous-jacent, dont le boson n'est donc qu'une « expression » matérielle, n'a pas de direction préférentielle. Ce champ de bosons s'étend sur tout l'univers et, à mesure que les particules de matière traversent ce champ, elles gagnent en masse, en quelque sorte par le frottement qu'elles subissent de ce champ. Ce champ peut être mieux comparé à un champ de pression dans un bassin d'eau, car l'orientation ne joue pas non plus de rôle ici. Avec un champ magnétique, par exemple, vous avez une direction préférée, sous la forme d'un pôle magnétique nord et sud. Le nom sonne plutôt technique, je l'avoue. Mais il dit quelque chose à propos d'une propriété spéciale du champ de bosons, à savoir qu'il n'a pas de direction préférée - et donc le boson scalaire n'aura pas de spin non plus.'
Vous faites la comparaison avec la physique macroscopique qui nous semble beaucoup plus familière. Avez-vous également rencontré le mécanisme de Higgs de cette manière ?
« Quand j'étais encore assistant de Brout à Cornell, nous travaillions ensemble sur le ferromagnétisme. C'était au début des années 1960. À cette époque, le théoricien japonais Yoichiro Nambu a publié un article montrant que les transitions de phase classiques entre le solide, le liquide et le gaz avaient un équivalent en physique subatomique - quelque chose qu'il appelait "la rupture spontanée de la symétrie". Il a reçu le prix Nobel pour cela il y a quelques années. Ce que Nambu n'a pas fait, cependant, c'est d'étendre le principe de la brisure spontanée de la symétrie aux forces fondamentales, ce que Brout et moi avons fait. Par exemple, à l'été 1964, nous avons pu publier notre article dans lequel nous expliquions dans le langage de la théorie des champs ce que pourrait être un mécanisme qui donnerait une masse aux particules porteuses de force des forces nucléaires - un mécanisme basé sur la symétrie de Nambu rupture. La publication de Higgs à la fin de l'été 1964 était écrite dans un style plus classique. Soit dit en passant, cela parle à Brout et à moi-même que la formulation actuelle du mécanisme est toujours faite dans le 'jargon de terrain'.'
Robert Brout et moi nous sommes parfaitement complétés. Lui avec son énorme imagination, et moi avec mon expertise mathématique
Pourquoi Robert Brout vous a-t-il suivi en Belgique ? A-t-il obtenu une meilleure offre ici ?
"Non, au contraire. Robert a simplement démissionné de Cornell et est venu à Bruxelles sans aucune perspective de poste permanent - même si cela a aidé qu'il ait d'excellentes références, et aussi que sa femme soit belge. Robert aimait trop la culture européenne, il se sentait comme un vrai Européen, malgré le fait qu'il avait grandi de l'autre côté de l'océan. Il n'a même pas opté pour la double nationalité. Il a demandé la nationalité belge, et lorsqu'il l'a eue, sa nationalité américaine lui a été retirée. Vous ne rencontrez pas quelque chose comme ça très souvent. Finalement, comme moi, il a obtenu un poste à l'ULB et nous avons pu continuer à travailler ensemble en physique théorique.'
Le boson de Higgs a des pères différents. Comme en témoignent les dates de publication des articles scientifiques de Robert Brout et François Englert (31 août 1964), de Peter Higgs (19 octobre 1964) et du trio américano-britannique Gerald Guralnik, Carl Hagen et Tom Kibble (16 novembre 1964) , c'était une photo-finish. Si nous devons respecter cette chronologie, Brout et Englert méritent d'être considérés comme les pères du boson. Mais parce que ce sont des Belges modestes, et aussi parce que Peter Higgs avait eu la même idée en toute indépendance d'eux, au lieu de la particule de Higgs, on parlerait de la particule BEH (particule de Brout-Englert-Higgs). Mais Guralnik, Hagen et Kibble affirment également qu'ils ont eu la même idée complètement indépendamment de Brout, Englert et Higgs à l'époque, et ils revendiquent également un changement de nom, quelque chose dans le sens du boson BEHGHK (Brout-Englert-Higgs -boson de Guralnik-Hagen-Kibble). L'avenir nous le dira, mais tout restera probablement le même et le nom largement utilisé "boson de Higgs" restera.
Qu'est-ce qui a rendu votre collaboration si fructueuse ? Était-ce la combinaison de différents horizons ?
"J'ai toujours trouvé que Robert travaillait davantage dans la "tradition anglo-saxonne", ou peu importe comment vous l'appelez, alors que je me concentrais davantage sur l'aspect formel, c'est-à-dire les techniques mathématiques - ce que l'on pourrait appeler la quintessence française. Robert était très doué pour imaginer des choses, pour visualiser des formules mathématiques. À cet égard, vous pouvez le comparer à Richard Feynman, qui préférait également travailler avec des diagrammes simples plutôt qu'avec des équations mathématiques complexes - ce qui ne signifie pas qu'ils étaient inférieurs en mathématiques, soit dit en passant. Robert et moi nous comprenions très bien, c'est pourquoi nous avons si bien travaillé ensemble. Lui avec son énorme imagination, et moi avec mon expertise mathématique, nous nous complétions parfaitement.'
Quelles questions restent ouvertes maintenant que l'existence du boson de Higgs a été confirmée ?
"Mon Dieu, il y en a tellement d'autres. Mais je pense que les questions les plus importantes concernent l'incorporation de la gravité dans le modèle standard, c'est-à-dire l'union de la gravité avec les trois autres forces. Car un problème fondamental demeure :il semble impossible pour l'instant de décrire la gravité dans le langage du modèle standard, c'est-à-dire la mécanique quantique. Le gros problème est, bien sûr, que les expériences dans ce domaine sont très difficiles à réaliser, car les effets de la mécanique quantique sur la gravité sont si incroyablement petits que nous ne nous approchons même pas de les détecter. Sauf peut-être pendant la première seconde après le big bang, quand la gravité était probablement beaucoup, beaucoup plus forte. Il va donc falloir faire un détour par la cosmologie pour arriver à une réponse.'
Pour conclure :connaissez-vous le dernier prix Nobel belge ?
« Ça doit être Ilya Prigogine, également de cette université. Mais il a reçu le prix Nobel de chimie. Le prix Nobel de physique n'a jamais été décerné à un Belge. Maintenant, bien sûr, vous allez me demander si je pense que je vais l'avoir. Je ne sais pas, bien que je puisse difficilement nier que je l'espère secrètement. Écrivez que je ne veux pas vendre la peau de l'ours tant qu'il n'est pas abattu."
Supposons que vous l'obteniez, serait-ce encore cette année, ou devrions-nous attendre jusqu'en 2013 ? « Je laisse cette décision au comité du prix Nobel. Le fait est que les analyses des mesures qui ont montré l'existence du boson battent toujours leur plein. Nous devons encore élucider les propriétés précises de la particule et confirmer que la particule n'a effectivement pas de spin, ce qui rendrait le nom de «boson scalaire» approprié. Je ne pense pas que le comité puisse prendre une décision tant que nous ne saurons vraiment rien sur le boson. Donc si je dois choisir, alors fais 2013.' Et c'est arrivé.
Cette interview est également parue dans Eos Weekblad sur iPad , ainsi que des informations générales sur les prix Nobel de médecine et de chimie 2013. Tous les vendredis, nous vous proposons un hebdomadaire d'actualités, parsemé d'images et de sons. L'application Eos peut être téléchargée gratuitement sur l'iTunes App Store. Avec cette application, vous obtenez gratuitement les dépenses hebdomadaires.
