Croisière particules 11072012

Physique des particules, où en sommes-nous?

Gilles Cohen-Tannoudji

www.gicotan.fr

http://www.gicotan.fr/

À propos du boson de Higgs

• Annonce d’un premier succès de la plus grande expérience jamais entreprise par l’homme

• Qu’est-ce que le modèle standard?

• Le principe de symétrie de Pierre Curie

• Le mécanisme et le boson de Higgs

• Les défis du LHC

• Mise en perspective cosmogonique

11/07/2012 Physique des particules où en sommes-

nous? 2

L’accélérateur du CERN à Genève Physique des particules où en sommes-

nous? 3 11/07/2012

L’intérieur du détecteur ATLAS au LHC Physique des particules où en sommes-

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Physique des particules où en sommes-nous?

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nous? 8

Tauon

(f EM)

Muon

(f EM)

Electron

e

(f EM)

Leptons

chargés

Neutrino de tauon

(f)

Neutrino de muon

(f)

Neutrino d'électron

e(f)

Leptons

neutres

(neutrinos)

Beauté

b

(f EM F)

Etrange

s

(f EM F)

Bas

d

(f EM F)

q=-1/3

quarks

Sommet

t

(f EM F)

Charme

c

(f EM F)

Haut

u

(f EM F)

q=2/3

quarks

3ème génération2ème génération1ère générationGénération

Type

Tauon

(f EM)

Muon

(f EM)

Electron

e

(f EM)

Leptons

chargés

Neutrino de tauon

(f)

Neutrino de muon

(f)

Neutrino d'électron

e(f)

Leptons

neutres

(neutrinos)

Beauté

b

(f EM F)

Etrange

s

(f EM F)

Bas

d

(f EM F)

q=-1/3

quarks

Sommet

t

(f EM F)

Charme

c

(f EM F)

Haut

u

(f EM F)

q=2/3

quarks

3ème génération2ème génération1ère générationGénération

Type

Les constituants élémentaires


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Interaction Particules impliquées

Paramètres de couplage

Champs médiateurs

Forte Quarks Couleur Gluons

Électromagnétique Quarks, leptons chargés Charge électrique Photon

Faible Quarks, leptons chargés et neutrinos

Isospin et hypercharge faibles

Bosons vecteurs intermédiaires,

W+,W-,Z0

Les interactions fondamentales


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• Découverte d’un nouveau niveau d’élémentarité, les quarks

• Un principe unificateur la symétrie de jauge

• Un critère de fiabilité, la renormalisabilité

• Un mécanisme efficace de brisure de la symétrie de jauge préservant la renormalisabilité, le mécanisme de Higgs qui implique l’existence d’au moins une particule non encore découverte (jusqu’à la semaine dernière!), le boson de Higgs

• Accord avec l’ensemble des données expérimentales jusqu’à 200 GeV

• Potentiel de découverte de physique nouvelle à des énergies plus élevées


nous? 11

Acquis et lignes de force du modèle standard

c d

a

e e

e e

b

d u

W

u

u

Z

qB

qB qR

qR

g


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nous? 13

H

Z Z

t t

Interaction d’un quark t et d’un boson Z0 par échange d’un boson de Higgs H


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, ,

, ,e

e

LEPTONS

, ,

, ,

u c t

d s b

QUARKS

Constituants élémentaires

Médiateurs des interactions

Boson de Higgs

Les lignes courbes en bleu représentent les interactions et auto-interactions

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L Q

Photon W+,W-

Z0

Gluons

W Z g

H


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L’histoire du modèle standard

Dates Cadre théorique Gravitation Électro

magnétisme

Interaction

faible

Interaction

forte

17ème

siècle

Galilée, Newton Newton

19ème

siècle

Mécanique

analytique,

thermodynamique

statistique

Maxwell

1895-

1898

Rayons X, électron, radioactivité

1900-

1930

Mécanique

quantique

1905-

1915

Relativité Einstein

1930-

1950

Théorie quantique

des champs

QED Fermi Yukawa

1970-

2000

Théories de jauge Big bang Théorie électrofaible de

Glashow, Salam et Weinberg

QCD

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• Le premier modèle standard (mécanique newtonienne et théorie universelle de la gravitation) marque la première révolution scientifique (naissance de la science moderne et épanouissement de la science classique) et le début de l’ère industrielle, inspirée par les Lumières

• Le modèle standard actuel fondé sur la relativité et les quanta, marque la seconde grande révolution scientifique, celle du 20ème siècle

• En physique des particules (avec le LHC), en cosmologie, en physique des très basses températures, apparaissent peut-être des signes avant-coureurs d’une nouvelle révolution scientifique


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Modèles standards et révolutions scientifiques

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• Le principe de symétrie de Pierre Curie ("Sur la symétrie dans les phénomènes physiques,

symétrie d'un champ électrique et d'un champ magnétique", Pierre Curie Journal de Physique t. III, p. 26, septembre 1894) "Je pense qu'il y aurait intérêt à introduire dans l'étude des phénomènes physiques les considérations sur la symétrie familières aux cristallographes"

Lorsque certaines causes produisent certains effets, les éléments de symétrie des causes doivent se retrouver dans les effets produits.

Lorsque certains effets révèlent une certaine dissymétrie, cette dissymétrie doit se retrouver dans les causes qui lui ont donné naissance

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• En résumé, les symétries caractéristiques des phénomènes ont un intérêt général incontestable. Au point de vue des applications, nous voyons que les conclusions que nous pouvons tirer des considérations relatives à la symétrie sont de deux ordres:

– Les premières sont des conclusions fermes mais négatives, elles répondent à la proposition incontestablement vraie: il n’est pas d’effet sans cause. Les effets, ce sont les phénomènes qui nécessitent toujours, pour se produire, une certaine dissymétrie. Si cette dissymétrie n’existe pas, le phénomène est impossible. Cela nous empêche souvent de nous égarer à la recherche de phénomènes irréalisables.

– Les considérations sur la symétrie nous permettent encore d’énoncer une deuxième sorte de conclusions, celle-ci de nature positive, mais qui n’offrent pas la même certitude que celles de nature négative. Elles répondent à la proposition: il n’est pas de cause sans effets. Les effets, ce sont les phénomènes qui peuvent naître dans un milieu possédant une certaine dissymétrie; on a là des indications précieuses pour découverte de nouveaux phénomènes; mais les prévisions ne sont pas des prévisions précises comme celles de la thermodynamique.


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• Unification possible des interactions faible et électromagnétique (unification électrofaible) avec le modèle des bosons intermédiaires (MBI) massifs

• Sans symétrie de jauge, le MBI n’est pas renormalisable

• Avec la symétrie de jauge, le MBI serait renormalisable mais il faudrait que les bosons intermédiaires fussent sans masse

• Pour qu’existe une théorie à symétrie de jauge dans l’interaction faible, il faudrait que tous les constituants élémentaires (les fermions) fussent sans masse

• Or des bosons intermédiaires sans masse et des fermions sans masse sont en contradiction flagrante avec l’expérience


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Le défi de l’unification électrfaible

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• Phénomènes de brisure spontanée de symétrie – Définition générale: on dit que l'on a une situation de brisure spontanée

de symétrie dans un système physique si la dynamique du système a une certaine symétrie et que les états n'ont pas cette symétrie

– Cette situation physique est analogue à la circonstance mathématique où l'ensemble des solutions d'une équation a une certaine symétrie alors que chaque solution particulière n'a pas la symétrie en question.

– Les situations de brisure spontanée de symétrie sont fréquentes en physique statistique: elles résultent d'un conflit entre la symétrie d'une cause principale et la stabilité de l'état fondamental (état d’énergie minimum, aussi appelé vide), du système par rapport à des fluctuations incontrôlables (thermiques ou quantiques) qui n'ont pas la symétrie en question. On a une brisure spontanée de symétrie si l'état d'énergie extrémale symétrique est instable alors que les seuls états d'énergie extrémale stables sont non symétriques

Mécanisme de Higgs: brisure spontanée d’une symétrie de jauge

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Qu’est-ce que le vide en théorie quantique des champs?

• Qu’est-ce qu’un champ quantique? – Un champ relativiste défini en chaque point de l’espace-temps – Un champ quantique d’opérateurs d’émission ou d’absorption

d’un quantum d’énergie-impulsion (une particule ou une antiparticule)

• Dualité ondes/particules – Ondes dans l’espace-temps – Particules dans l’espace de Fock, espace des états du champ

définis par le nombre de quanta d’énergie-impulsion

• Le vide quantique: état fondamental (d’énergie minimum) de l’espace de Fock, i.e. état à zéro quantum d’énergie-impulsion.


nous? 23

• Conséquences des inégalités de Heisenberg – Quand le nombre de quanta est bien déterminé, par

exemple dans le vide quantique où ce nombre est nul, l’état spatio-temporel du champ est indéterminé

– Quand l’état spatio-temporel du champ est bien déterminé, par exemple dans un état cohérent tel qu’il est produit avec un laser, le nombre de quanta d’énergie est indéterminé

– Dans l’espace-temps, le vide quantique est assimilable à un milieu complexe, siège de fluctuations du ou des champs quantiques

– Dans le cas où ces fluctuations ne se moyennent pas à zéro, le vide peut être assimilé au milieu « possédant une certaine dissymétrie » (Curie), dans lequel peut naître le phénomène de l’émergence de la masse, c’est ce qui se produit avec le mécanisme de Higgs


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• « D'où l'on peut voir qu'il y autant de différence entre le néant et l'espace vide, que de l'espace vide au corps matériel ; et qu'ainsi l'espace vide tient le milieu entre le matière et le néant. C'est pourquoi la maxime d'Aristote dont vous parlez, "que les non-êtres ne sont point différents", s'entend du véritable néant, et non pas de l'espace vide. »

• Réponse de Blaise Pascal au très révérend père Noël, recteur de la Société de Jésus, à Paris, 29 octobre 1647 Pascal, Oeuvres complètes, La Pléiade, p 384, ed. 1998


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V(f)

Im(f)

Re(f)

Vide possible, symétrique mais instable

Vides stables, dégénérés et non-symétriques

Fermions droits et gauches sans

masse

4 bosons électrofaibles

sans masse

Champ de Higgs ) )0 0, ; ,f f f f

Un boson de Higgs massif

Des fermions massifs

Un photon sans masse des bosons

faibles, W+,W-, Z0 massifs

Le défi théorique de l’unification électrofaible relevé avec le mécanisme de

Higgs

Une théorie électrofaible

renormalisable!

Brisure spontanée de la symétrie électrofaible: le paradigme du chapeau mexicain

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–Dans le vide stable, la valeur moyenne du champ de Higgs est différente de zéro. Quand une particule se propage dans ce milieu, elle acquiert de la masse

Une salle emplie de physiciens bavardant tranquillement est l’analogue d’un espace empli de champ de Higgs

Un scientifique renommé entre dans la salle, créant une perturbation quand il se déplace et attire à chaque pas un groupe d’admirateurs

Ceci accroît la résistance à son mouvement; en d’autres termes, il acquiert une masse tout comme les particules se déplaçant dans le champ de Higgs

Si une rumeur traverse la salle

Elle provoque le même type d’attroupement , mais cette fois entre les scientifiques eux-mêmes: un tel attroupement est l’analogue de la particule de Higgs

Mécanisme et boson de Higgs en bande dessinée


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Prix Nobel 1999 Preuve de la renormalisabilité des

théories de jauge avec ou sans brisure de symétrie

Gerald ‘tHooft Martinus Veltman

Benjamin Lee

Jean Zinn-Justin

Ne pas oublier de citer:

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, ,

, ,e

e

LEPTONS

, ,

, ,

u c t

d s b

QUARKS

Constituants élémentaires

Médiateurs des interactions

Boson de Higgs

Les lignes courbes en bleu représentent les interactions et auto-interactions

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L Q

Photon W+,W-

Z0

Gluons

W Z g

H









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• Énergie maximum (7 TeV) dans le tunnel du LEP= champ de 8,2 tesla

• Aimants supraconducteurs; Installation cryogénique à 1,9 K (endroit le plus froid de l’univers)

• Collisionneur proton – proton= chaque aimant doit avoir les deux polarités à quelques centimètres de distance (forces magnétiques énormes)

• Très haute luminosité: beaucoup de paquets (2808), beaucoup de protons par paquet (100 milliards), petite taille transverse (10μm)

• Un milliard d’interactions par seconde

• Tri des événements potentiellement intéressants, énormes flux d’information, grilles de calculs

• Résistance aux radiations


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Les défis du LHC

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nous? 33


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• En mécanique classique, la masse précède l’énergie: il n’y a pas d’énergie sans masse (énergie cinétique d’une particule massive)

• En relativité restreinte, l'énergie précède logiquement la masse: il y a de l'énergie sans masse; il n'y a pas de masse sans énergie

• En cosmogonie scientifique, l'énergie précède temporellement la masse: dans l'histoire de l'Univers, il y aurait eu une époque où aucune particule n'avait de masse. C’est après la brisure de la symétrie électrofaible que les particules ont acquis leur masse

• Noter qu’en l’absence de masse, il n’y a pas de temps propre: l’émergence de la masse coïncide donc avec le début du temps propre !

L’émergence des masses, du temps propre et de la lumière

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Brisure de la symétrie électrofaible et émergence de la lumière

• Avant la brisure de la symétrie électrofaible, le photon, le boson médiateur de l’interaction électromagnétique n’existait pas en tant que tel. Il y avait quatre bosons intermédiaires de l’interaction unifiée électrofaible

• Après la brisure de symétrie induite par le mécanisme de Higgs, trois de ces quatre bosons intermédiaires deviennent les bosons intermédiaires W+ W- et Z0 de l’interaction faible et le quatrième devient le photon. La lumière advient !


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Vers un dépassement du modèle standard ?

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Dates Cadre théorique Gravitation Électro

magnétisme

Interaction

faible

Interaction

forte

17ème

siècle

Galilée, Newton Newton

19ème

siècle

Mécanique

analytique,

thermodynamique

statistique

Maxwell

1895-

1898

Rayons X, électron, radioactivité

1900-

1930

Mécanique

quantique

1905-

1915

Relativité Einstein

1930-

1950

Théorie quantique

des champs

QED Fermi Yukawa

1970-

2000

Théories de jauge Big bang Théorie électrofaible de

Glashow, Salam, Weinberg et

Higgs

QCD

2003- … Décohérence,

théorie quantique

de l’information,

Holographie

CDM Grande unification? Supersymétrie ? Matière

sombre ?Inflation ?Gravitation quantique ?

Education

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