Peter Higgs

Un verre d'eau et un verre de gelée se ressemblent, mais se comportent différemment. Il en va de même pour le tissu prostatique : sur une coupe ordinaire au microscope, on voit à la fois les glandes tumorales et leur support environnant — le tissu conjonctif. Autrefois, le pathologiste ne regardait que les glandes, considérant le support comme un simple fond.

Dans le détecteur CMS du Grand collisionneur de hadrons, des protons entrent en collision avec une énergie énorme, produisant une multitude de particules. La plupart se désintègrent presque instantanément, juste au point de collision.

Les marqueurs radioactifs, c'est comme un livreur avec une balise : on l'injecte dans le corps, et il illumine l'organe voulu sur l'image. Mais ce livreur a des règles strictes : on ne peut pas l'envoyer souvent, il se fatigue vite et coûte cher. Les médecins rêvent depuis longtemps d'un moyen de voir un organe sans radiations.

Un photographe photographie un coureur : pour éviter le flou de bougé, il faut une vitesse d'obturation courte. Le scanner IRM est comme ce photographe, mais son « temps de pose » est long : pendant ce temps, le muscle a le temps de changer. C'est pourquoi l'IRM dynamique (une série d'images volumétriques en mouvement) est un défi : les données sont rares et le mouvement n'attend pas.

Le boson de Higgs vit incroyablement peu de temps — moins d'un milliardième de seconde. Impossible de le capturer directement, c'est pourquoi les physiciens observent ce qui reste après sa désintégration : des jets de particules, des muons, des neutrinos.

Dans le détecteur ATLAS du Grand collisionneur de hadrons, les protons entrent en collision des milliards de fois par seconde. Parmi ce flux, les physiciens ont repêché huit événements où, après l'impact, sont nées simultanément deux particules Z et un photon.

La vessie ressemble à un ballon de baudruche : pendant qu'elle se remplit, la paroi s'étire et la forme change. Les médecins surveillent généralement la pression interne et la quantité de liquide introduite, mais ils prêtent rarement attention à la géométrie elle-même, c'est-à-dire à la manière dont la surface se courbe.

Le cœur bat de manière irrégulière. L'IRM classique fait comme si tous les battements étaient identiques : elle les superpose, tel un photographe qui photographie un danseur avec une longue exposition. On obtient une tache floue — jolie, mais inutile si l'on veut distinguer chaque mouvement. La nouvelle approche filme le cœur comme une vidéo : image par image, sans interruption.

Un appareil IRM classique, c'est un aimant énorme qu'on ne peut pas déplacer, et un ordinateur puissant qui transforme les signaux du corps en image. Ces dernières années, des tomographes portables avec un champ plus faible ont fait leur apparition : ils sont légers, bon marché et peuvent fonctionner dans un hôpital de campagne ou dans une ambulance.

Dans le détecteur ATLAS du Grand collisionneur de hadrons, les particules laissent des traces comme des skieurs sur la neige. Certaines traces s'interrompent après quelques centimètres — c'est ainsi qu'apparaîtrait une particule qui naît, parcourt un court trajet puis se désintègre en quelque chose d'invisible.

Un scanner TEP classique ressemble à un appareil photo avec un objectif étroit : pour photographier une personne entière, il faut le déplacer d'avant en arrière et prendre de nombreux clichés. Le nouveau tomographe IMAS est une caméra grand angle qui couvre d'un coup 71 centimètres du corps.

Dans un anneau souterrain de 27 kilomètres de circonférence, des protons sont accélérés jusqu'à une vitesse proche de celle de la lumière puis projetés frontalement les uns contre les autres. Au point d'impact, des conditions comparables à celles qui régnaient dans le premier billionième de seconde après la naissance de l'Univers sont créées pendant un instant.

Le TEP/TDM, c'est comme une carte où les cellules cancéreuses brillent comme des points lumineux. Mais que faire si la carte est vide alors que la maladie se cache quelque part ?

Lorsqu'un boson W (la particule médiatrice de l'interaction faible) se désintègre en un quark et un antiquark, à la vitesse vertigineuse du collisionneur, ces deux fragments volent presque dans la même direction.

Dans le détecteur ATLAS du Grand collisionneur de hadrons, des protons entrent en collision avec une énergie considérable, et parmi les débris naît parfois un boson de Higgs — la particule qui donne leur masse aux autres particules.

Le placenta, c'est un peu comme un marché animé où l'oxygène passe de la mère à l'enfant. Si les étals sont bien alignés et que la marchandise circule vite, tout le monde y trouve son compte. Mais si les allées se bouchent, les embouteillages commencent : il y a des zones où l'oxygène abonde et d'autres où il manque.

Lors du traitement du cancer de la prostate, les médecins voient souvent non pas une seule tumeur, mais de multiples foyers dans les os et les ganglions lymphatiques. Chacun de ces foyers peut réagir différemment à la thérapie : l'un diminue, un autre reste stable, un troisième grossit.

À l'hôpital, le sang prélevé au bout du doigt part généralement au laboratoire, et le résultat arrive le lendemain. La nouvelle méthode promet de réduire ce délai à quelques minutes.

Un aimant faible dans une IRM, c'est comme une ampoule tamisée dans une pièce sombre : l'image est là, mais les détails se noient dans le grain. Ces scanners fonctionnent avec un champ de moins de 0,1 tesla (un scanner hospitalier standard en fait 3, soit 30 fois plus), mais ils sont légers, bon marché et ne nécessitent pas de salle spéciale. Un seul problème : le bruit dévore la qualité.

Au Grand collisionneur de hadrons, des protons entrent en collision et des dizaines de particules naissent de l'éclair. Parmi elles peuvent se trouver les traces de processus rares – par exemple, la désintégration du boson de Higgs en deux bosons W.

Quand un médecin irradie une tumeur, il essaie de ne pas toucher les organes sains à proximité. Autrefois, on administrait de nombreuses petites doses de radiation, un peu comme on arrose une pelouse avec un arrosoir à pomme fine. Aujourd'hui, on utilise de plus en plus l'hypofractionnement : moins de séances, mais des doses plus importantes, comme un jet d'eau puissant.

Le boson de Higgs est comme un chef d'orchestre qui donne leur masse à toutes les autres particules. Sans lui, les électrons seraient sans masse et les atomes se désintégreraient. Mais comment le chef d'orchestre interagit-il avec lui-même ? C'est la question centrale à laquelle le futur collisionneur de muons devra répondre.

Au Grand collisionneur de hadrons, les protons entrent en collision des milliards de fois par seconde, et une seule fois sur un trillion de collisions, une paire de bosons de Higgs modèle standard (les particules responsables de la masse de tout ce qui existe) est produite.

Une lampe de poche éclaire en un large faisceau, tandis qu'un laser frappe en un mince rayon et révèle les moindres détails. En imagerie par résonance magnétique (IRM), le rôle de ce rayon est joué par le gradient : une variation rapide du champ magnétique le long du corps.

Pour regarder à l'intérieur d'un muscle, on l'illumine avec des ondes radio dans un champ magnétique puissant — c'est ainsi que fonctionne l'IRM.

Deux faisceaux d'une luminosité éblouissante se percutent frontalement. Au point de rencontre, une particule naît l'espace d'un instant : celle-là même qui est responsable de la masse de tout ce qui existe. C'est le boson de Higgs.

Un photographe photographie un coureur avec une longue exposition et obtient une silhouette floue. C'est à peu près ainsi qu'un IRM classique « voit » les organes en mouvement : le cœur se contracte, les poumons respirent, et l'image devient floue. Pour éviter cela, on demande au patient de rester immobile et de retenir sa respiration.

Un orchestre sans chef. Chaque musicien n'entend pas seulement son voisin, mais aussi les échos venus de toute la scène. C'est à peu près ainsi que fonctionne l'idée d'un champ de Higgs non local : la particule « ressent » ce qui se passe non pas en un point, mais dans toute une région de l'espace.

Au cœur du détecteur du Grand collisionneur de hadrons, des protons entrent en collision et, pendant un bref instant, quelque chose de lourd naît.

Une particule quantique qui parcourt un anneau fermé laisse deux « enregistrements » différents sur son passage. Le premier est comme une empreinte digitale sur une poignée de porte : il reste inchangé, quel que soit le nombre de fois où l'on tourne la poignée, et ne renseigne que sur la forme et le matériau.

Quand on respire, le foie monte et descend doucement. Lors d'un traitement par rayonnement, on tient compte de cette mobilité : le faisceau doit atteindre la cible, pas les tissus sains. Habituellement, on « filme » la respiration à l'aide d'une tomodensitométrie (TDM) spéciale, en prenant une série d'images sur un cycle d'inspiration-expiration.

Les images IRM de la prostate ressemblent souvent à des photos prises à travers une vitre sale : bruit, contours flous, distorsions dues aux imperfections du champ. Des chercheurs ont testé ce qui se passe si l'on « lave » cette vitre : éliminer le superflu, corriger les distorsions et aligner précisément les différentes vues.

Le boson de Higgs ressemble à un diapason qui émet une note bien précise. Mais les physiciens ont appris à l'entendre même lorsque la note est faussée, dans la région dite « hors résonance ». C'est là, dans les données du détecteur CMS, que se cachaient les réponses aux questions sur la véritable nature du mécanisme de Higgs.

Une corde bien tendue continue de vibrer après avoir été pincée. En physique des particules, il existe un objet similaire : l'oscillon. C'est un amas d'énergie qui pulse comme un cœur sans se disperser dans l'espace. Ces structures apparaissent dans le champ de Higgs — ce même champ qui donne leur masse aux particules.

Dans les collisions de protons au Grand collisionneur de hadrons, il arrive que naissent non pas un Higgs, mais deux à la fois. La fréquence de ces événements est l'empreinte directe de la façon dont le champ de Higgs interagit avec lui-même.

La bobine d'une IRM capte le signal radio des atomes d'hydrogène, comme une antenne capte une station de radio lointaine. Mais le signal est faible, et si l'amplificateur lui-même est bruyant, l'image devient granuleuse.