Théorie électrofaible sans boson de Higgs

Le boson de Higgs est, parmi toutes les particules qui composent le "modèle standard" des particules élémentaires, la seule qui n'ait pas encore été observée. Et si elle n'existait pas ? C'est l'hypothèse récemment émise par Christophe Grojean et ses collaborateurs, et qui est prise très au sérieux par la communauté des physiciens des particules, puisque  Christophe Grojean a reçu le prix Jean-Thibaud 2006 et s'est vu offrir un poste prestigieux de "junior staff" à la division de physique théorique du CERN, à Genève.

Pourquoi le Higgs ? Les théories actuelles de trois des quatre forces fondamentales (électromagnétisme, interaction forte, interaction faible) reposent sur un principe commun, la symétrie de jauge, qui exige que les particules véhiculant ces forces soient de masse nulle. Il en va ainsi du photon (qui véhicule l'électromagnétisme) et du gluon (qui véhicule l'interaction forte), mais les bosons W et Z, qui transmettent l'interaction faible, sont au contraire très lourds ;
c'est d'ailleurs la raison pour laquelle l'interaction faible est si faible. Le "mécanisme de Higgs" postule que ces masses sont apparentes, et proviennent d'interactions entre le W et le Z avec un nouveau champ, le champ de Higgs, qui emplit tout l'Univers. A tout champ sa particule, et la recherche du boson de Higgs est la priorité numéro un du collisionneur LHC, dont l'immense chantier est en cours d'achèvement au CERN.

On recense dans l'histoire de la discipline plusieurs tentatives infructueuses de se débarrasser de cette particule de Higgs dont on ne sait pas grand-chose, sinon qu'elle ne ressemble à aucune autre - au contraire de tous les champs élémentaires connus, le champ de Higgs est scalaire, c'est-à-dire qu'il ne pointe dans aucune direction (le champ électromagnétique, par exemple, est vectoriel). Quelles sont les autres façons de donner une masse au W et au Z, sans faire intervenir un champ de Higgs? La masse apparaît dans la relation d'Einstein entre l'énergie E et l'impulsion p, E²=p²c²+m²c⁴. Christophe Grojean et ses collaborateurs font l'hypothèse que l'espace-temps possède une cinquième dimension compacte, et que le terme de masse provient du mouvement (c'est-à-dire d'une impulsion) selon cette cinquième dimension. Les masses du W et du Z résultent alors de conditions aux bords particulières aux extrémités de cette dimension supplémentaire.

Ils montrent qu'il est possible de construire un modèle sans Higgs réaliste, c'est-à-dire compatible avec les tests de précision actuels du modèle standard, en faisant appel à une géométrie particulière de l'espace-temps, dite anti-de-Sitter (AdS). Notons que c'est dans cette même géométrie qu'on observe des relations de dualité avec les théories des champs conformes, qui sont l'objet de recherches intenses depuis dix ans. Une des prédictions de cette théorie est qu'il existerait des particules analogues au W et au Z mais plus lourdes : si elles existent, le LHC pourrait les détecter après un à deux ans de fonctionnement.

Pour en savoir plus :

1. Gauge Theories on an Interval: Unitarity without a Higgs, par C. Csaki, C. Grojean, H.Murayama, L.Pilo, J.Terning.
2. Towards a Realistic Model of Higgsless Electroweak Symmetry Breaking, par C. Csaki, C. Grojean, L. Pilo, J. Terning.
3. Fermions on an Interval: Quark and Lepton Masses without a Higgs, par C. Csaki, C. Grojean, J. Hubisz, Y. Shirman, J. Terning.
4. Oblique Corrections from Higgsless Models in Warped Space, par G. Cacciapaglia, C. Csaki, C. Grojean.
5. Curing the Ills of Higgsless Models: the S Parameter and Unitarity,  par G. Cacciapaglia, C. Csaki, C. Grojean, J. Terning