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Les 4 forces fondamentales, le Modèle Standard et le Higgs

• Les 4 forces de la nature • Les champs • Par;cules virtuelles • L’électrodynamique quan;que

• L’interac;on faible • L’interac;on forte (QCD) • Modèle standard

• A la recherche du Higgs

Les forces (interac;ons)

?? Comment agissent les forces ???

Ces interac;ons engendrent toutes les forces qui gouvernent la nature

4 forces : exemple le Soleil • Nécessaires et suffisantes !

• Le Soleil s’est formé par condensa;on d’un nuage d’hydrogène sous la pression de la force gravita,onnelle.

• Lorsque le noyau rejoint une température de ≈107 °C les réac;ons de fusion thermonucléaire s’enclenchent et le Soleil est aujourd’hui en équilibre.

• Fusion: p +p d +e+ +νe (faible) 2H +p 3He + γ (e.m.) 3He + 3He 4He + p +p (forte)

• La première étape de la fusion est une interac,on faible : p + p d + e+ +ν e (autrement le Soleil disparaîtrait rapidement !)

• L’ énergie libérée dans la fusion se transmet surtout sous forme de rayons X à la photosphère, on a ici des interac;ons électromagné;ques qui diffusent chaleur et lumière dans l’Univers.

➼ Toutes le 4 forces jouent un rôle vitale et main;ennent l’Univers en équilibre.

Les forces: interac;on à distance

Gravita;on : a^rac;on entre les masses, la force décroit avec le carré de la distance, elle est à longue portée. Electricité : a^rac;on entre charges opposées, répulsion de charges égales, la force décroit avec le carré de la distance, elle est à longue portée. Interac;ons fortes et faibles à courte portée.

Les champs

• Champ électrique et magné;que

B

• Champ gravita;onnel

Les lignes de champ ou lignes de force indiquent sa direc;on en différents points de l’espace. Plus les lignes sont rapprochées, plus l’intensité du champ est grande dans ceê zone.

Si une par;cule agit sur une autre, c’est qu’un champs, engendré par la première se propage dans l’espace, puis agit sur l’autre.

Electromagné;sme (e.m.) : équa;ons de Maxwell (1870)

∫E dA = Q /ε° Il y a une source de E : la charge Q

∫B dA = 0 Il n’y a pas de source de B (On n’a pas trouvé des monopoles magnétiques !)

∫ E dl = d ΦB /dt Un champs B variable produit un champs E

∫ B dl = µ° I + µ° ε°d ΦE/dt Un champs E variable ou un courant électrique I produisent un champs B

E champs électrique B champs magné;que (A surface, l longueur )

Unifica;on entre les phénomènes électriques et magné;ques: des forces qui semblaient bien différentes sont la manifesta;on d’une même interac;on e.m.

Théorie des champs • Mécanique quan;que Une par;cule est une onde • Théorie quan;que des champs la par;cule est une oscilla;on du champs,

un paquet d’énergie. L’interac;on est le transfert d’énergie d’un champs à l’autre. Richard Feynmann à propos de l’atome: « Grace à un échange de photons le proton garde l’électron près de lui, dansant tout autour. »

Propriété du vide quan;que: par défini;on le vide est un espace de plus basse énergie, où le nombre de photons est nul. Mais le champ dans le vide est le siège de fluctua,ons autour de la valeur zéro.

L’ac;on à distance est vue comme l’échange de par;cules virtuelles. A chaque interac;on est associé un quantum caractéris;que, un boson (spin en;er), qui transmet quan;té de mouvement (p) et énergie (E) d’une par;cule à une autre.

Puisque on doit sa;sfaire les lois de conserva;on, le processus intervient à l’intérieur du principe d’incer;tude: on peut avoir un transfert d’énergie ΔE dans un temps Δt tel que(Δ E)(Δt) ≥ h / 2π . Le quantum ainsi échangé n’aura pas la masse de la par;cule réelle, de là le nom de virtuelle.

Par;cule « virtuelle » échangée

&s

Le concept quan;que d’une interac;on e.m. comme un échange entre par;cules chargées (e- ) de photons virtuels (émission et absorp;on) ce n’est pas plus ou moins réel que le concept classique d’un champs qui entoure tout l’espace autour d’une charge source. Ni les champs, ni les quanta virtuels sont observables directement, mais leur effet est mesurable.

Interac;on répulsive e- e- e- e-

γ* photon virtuel

Matérilisa;on e- e+ γ

Electrodynamique quan;que : QED

Vecteur de la force électromagné;que: Le photon γ masse=0 , spin 1 (boson) charge Q= 0

γ, e+e-‐ par;cules virtuelles

Diagrammes de Feynman

QED est une théorie des interac;ons entre les photons et les électrons, ce qui recouvre une très large majorité des phénomènes les plus connus. Ceê théorie servit de modèle pour le développement de la théorie des champs appliquée à toutes les par;cules élémentaires

Richard Feynman (1918-‐1988)

Diffusion Inélas;que Profonde e- p e- X : e- q e- q Nous observons l’interac;on e.m. entre deux par;cules élémentaires, e- q , les autres quarks du proton p restent spectateurs !

Lepton (e ou μ) + hadron l ql q

γ* particule virtuelle

Gerbe électromagné;que • A haute énergie (> dizaine de MeV), les photons interagissent presque

uniquement par matérialisa;on en paires e+e-‐ au voisinage des noyaux voire des électrons atomiques. Toujours à hautes énergies, ces par;cules vont interagir par émission de photon de freinage X (Bremsstrahlung) qui vont eux même interagir par d’autre créa;on de paires. La combinaison de ces deux effets résulte en la forma;on d’une « gerbe électromagné;que » dès qu’un photon ou qu’un électron pénètre dans un milieu dense.

La forme du Z à LEP (1995-‐2000)

Au LEP du CERN, collisionneur e+e-‐, on varie l’énergie des faisceaux et on mesure le nombre d’évènements qui ont des hadrons (cross sec;on). Ces événements sont produit par échange d’un photon virtuel, mais, lorsque l’énergie est suffisante, on produit le Z0. On observe la forme caractéris;que d’une « résonance » (Breit-‐Wigner)

La valeur du pic (91 GeV) est la masse Sa largeur ( Γ= 2,5 GeV) est liée au temps de vie (τ ) du Z par Γ= h/τ et dépends du nombre de désintégra;ons possibles: Z ee, μμ, ττ, νν, qq

Interac;on faible (courte portée ≈10-‐18m !)

Vecteurs de l’interac;on faible: Masse >> 0 , spin 1 (boson) , charge Q=± , 0

n p e- νe

d u e- νe

ermion (spin ½)

Simon van der Meer et Carlo Rubbia en 1984

DIP avec des faisceaux de neutrinos νμ N μ - X : νμ d μ - u

νμ u μ + d

Il manque ≈50% de l’énergie ! gluons

Interac;on forte: QCD Quantum ChromoDynamics

Les quarks sont coloriés: « charge »rouge, vert, bleu

Vecteur de l’interac;on forte 8 gluons ( g ) masse=0, spin 1, charge Q=0, coloriés

Les quarks ne sont pas libres • L’interac;on est tellement forte que la produc;on de paire

quark-‐an;quarks est préférable à un quark isolé.

• Un quark forme une gerbe de quarks et de gluons

• Et en final un jet d’ hadrons (surtout mésons: qq) • 1979 PETRA à DESY trouve le gluon

• e+e-‐ q q e+e-‐ q q g

Les quatre forces de la nature

Type Force rela7ve Par7cule du champs

Forte (≈ 1970) 1 gluon

Electromagné;que (1864-‐.) 10-‐2 photon

Faible (1967) (1971) 10-‐13 W et Z

Gravita;onnelle(1687) (1915)

10-‐40 Graviton

Réac7on Interac7on Désintégra7on

Forte p p p n π+ ρ0π+π-‐

e.m. e+e-‐ μ+μ- π0γγ

Faible νμ p n μ+ n p e-‐ ve

Tout est possible, pourvu que les lois de conserva;on soient observées : conserva;on de l’énergie, de la quan;té de mouvement, de la charge, etc.….

Unifica;on de forces • 1967 Théorie électrofaible : unifica;on de e.m. et faible

Glashow, Weinberg, Salam (Prix Nobel 1979)

• 1973 CERN chambre à bulle Gargamelle : courants neutres • 1983 CERN découverte du W± et Z0 (Prix Nobel 1984)

Modèle Standard • Théorie de jauge: invariance par rapport aux groupes

de symétrie SU(3)xSU(2)xU(1) (symétries au sein d’espaces abstraits que seul les mathéma;ciens savent représenter!)

• OK, si toutes les masses sont = 0 !!!!

• Introduc;on du champs scalaire (spin =0) de Higgs

Le boson de Higgs • 1964 Robert Brout, François Englert et indépendamment Peter Higgs cherchent une théorie

de l’interac;on faible sur le modèle de la QED, mais, les forces étant à courte porté, le boson de jauge doit avoir une masse. Comment donner une masse à des bosons de jauge (spin 1) généralisés? Ils supposent l’existence d’un boson scalaire (spin 0), une sorte de mer qui envahit tout l’Univers. Dans ceê mer les bosons acquièrent une masse selon leur interac;on avec le boson scalaire. Certains, tels les photons, n’interagissent pas et restent sans masse. D’autres, à l’inverse, interagissent et acquièrent une masse, tels que le boson W et Z, découverts beaucoup plus tard.

• 1967 Steven Weinberg et Abdus Salam proposent une théorie, fondée sur ce mécanisme, qui unifie les interac;ons e.m. (à longue portée) et faibles (à courte portée). Prix Nobel en 1979.

• 2012 CERN le « boson de Higgs » existe, ce n’est pas une vision mathéma;que.

• La métaphore de la neige de John Ellis :

Tout se passe comme si les par;cules élémentaires étaient des objets sans masse, mais dotées de skis, se déplaçant sur un champs de neige. Les par;cules ayant des skis parfaitement fartés se déplacent sans froêment, donc à la vitesse de la lumière, et leur masse apparente est nulle. Celles dont les skis sont mal fartés glissent mal sur la neige, leur vitesse est moindre que celle de la lumière et leur masse est non nulle.

! La masse n’est plus une propriété des par;cules, mais elle résulte de l’interac;on avec le champ de Higgs.

Le boson de Higgs à LEP ?

2000 LEP : masse supérieure à 114 GeV

A la recherche du boson de Higgs

2000 LEP : masse supérieure à 114 GeV Tevatron (Fermilab) collisionneur pp exclut un intervalle de masse autour de 160 GeV

Les mesures précises du Modèle Standard délimitent la masse du boson de Higgs .

Le boson de Higgs (H) au LHC

Les canaux les plus abondants et les plus propres

a) Produc;on de H par deux gluons (g) via des quark lourd (t, b)

b) Désintégra;on de H en 2 gammas (γ ) via des quark lourd (t, b)

« Golden channel » a) Produc;on de H par deux gluons (g)

via des quark lourd (t, b) b) Désintégra;on de H en deux Z c) Désintégra;on des Z en deux leptons

Le boson de Higgs • 1964 Robert Brout, François Englert,Peter Higgs

• 2012 LHC au CERN

H Z Z e+e-‐μ +μ-‐

Gamma et muons pour iden;fier le Higgs

Évènement gamma-‐gamma En vert le signal des deux gammas dans le calorimètre e.m. En poin;llé les deux gammas sont reliés au point d’interac;on.

Évènement 2 e et 2 μ En rouge la trace des deux μ En vert la trace des deux e

CMS collision events at 7 TeV: candidate ZZ to 4e

En vert les traces des électrons reconstruites dans les chambres à traces. En rouge les signaux du calorimètre électromagné;que, propor;onnels à l’énergie des e.

Higgs 2014

• Masse 125,7 ± 0,4 GeV

• Canaux de désintégra;on (ZZ, WZ, WW.…….γγ) comme prévu • Spin 0

H γγ

H ZZ 4 leptons

Bibliografie

Feynman Richard, Lumière et ma,ère. Une étrange histoire, InterEdi;ons (1987)

Où va la physique, Dossier pour la Science N° 85 (2014)

YouTube • François Englert: Pourquoi la découverte du boson est-‐elle

importante (2013)

• Peter Higgs’ Reac;on in the day itself (2013) • Fabiola Giano�: The Higgs Boson and our life (2013)

• E;enne Klein: Boson de Higgs, la decouverte (2013)

Documents

Les$4$forces$fondamentales,$ $le$Modèle$Standard$etle$ Higgs…€¦ · Electrodynamique$quan;que$:$QED$$$ Vecteur$de$laforce$électromagné;que:$ Le photon γ masse=0 , spin 1 (boson)