Mécanisme de Brout-Englert-Higgs-Hagen-Guralnik-Kibble

Le modèle standard repose en grande partie sur les concepts de symétrie et d'invariance, notamment l'invariance de jauge qui génère les interactions. Cette invariance concerne notamment le lagrangien du modèle, et interdit d'introduire des termes de masse pour les bosons de jauges, vecteurs de l'interaction. Or on sait aujourd'hui que certains de ces bosons (les W et le Z de l'interaction faible) ont une masse. Le défi consiste donc à générer ces termes de masse dans le lagrangien en évitant de remettre en cause tout cet édifice théorique.

L'idée consiste alors à introduire un champ scalaire ${\displaystyle \phi }$ particulier, caractérisé par son potentiel, et choisi de sorte à avoir un état du vide non nul, qu'on appelle alors champ de Higgs électrofaible.

Ce champ scalaire est un doublet de ${\displaystyle SU(2)}$, et le potentiel le plus général qui soit invariant et renormalisable qui lui correspond est

${\displaystyle V(\phi ^{\dagger }\phi )=\mu ^{2}\phi ^{\dagger }\phi +\lambda (\phi ^{\dagger }\phi )^{2}}$,

construit à l'aide de la quantité invariante ${\displaystyle \phi ^{\dagger }\phi }$, avec ${\displaystyle \lambda }$ nécessairement positif puisqu'on souhaite avoir un état d'énergie la plus basse, et où ${\displaystyle \dagger }$ désigne l'opérateur adjoint.

Afin d'avoir la brisure de symétrie recherchée, il faut considérer ${\displaystyle \mu ^{2}<0}$, ainsi l'état du vide n'est plus invariant par rotation dans ${\displaystyle SU(2)}$.

À basse énergie, il est commode de développer les calculs autour de ces minimas d'énergie. C'est ce développement qui est à l'origine de la brisure de symétrie, en ne considérant que certains termes d'ordre les plus bas.

Dans une telle approximation, des termes de «masses» apparaissent alors naturellement.

Ici, les deux lagrangiens, avant et après brisure, sont bien équivalents, et la physique reste la même. Si l'on pouvait résoudre exactement les équations dynamiques avant brisure, on aurait une dynamique avec des bosons sans masse, mais dont l'interaction avec le champ de Higgs conduit à un comportement équivalent à celui de bosons massifs. Le développement autour du vide permet simplement de faire apparaître explicitement des termes qui ont les bonnes propriétés pour être interprétés comme des masses. Dit autrement, dans ce mécanisme, la masse n'est pas une propriété intrinsèque d'une particule, mais une mesure de son interaction avec le champ de Higgs ${\displaystyle \phi }$ introduit.

Selon le principe de la dualité onde-particule, au champ de Higgs ${\displaystyle \phi }$ peut être appariée une particule correspondante, dénommée boson de Higgs, qui permet d'expliquer la brisure de symétrie observée au travers d'un corpuscule plutôt que d'un champ. C'est sur ce boson que se concentre la recherche scientifique pour étayer l'hypothèse du mécanisme BEHHGK.