Post on 10-Jul-2015
description
Le mécanisme et le boson de Brout Englert Higgs
Gilles Cohen-Tannoudji Laboratoire de recherche sur les sciences de la
matière (LARSIM CEA Saclay)
www.gicotan.fr
Mécanisme et boson BEH
• Annonce d’un premier succès de la plus grande expérience jamais entreprise par l’homme
• Qu’est-ce que le modèle standard?
• Le mécanisme et le boson BEH
• La stratégie gagnante du CERN
• Épisode d’un nouveau grand récit de l’univers
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 2
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 3
« Standing ovation » au CERN, le 4 juillet 2012 à l’annonce de la découverte du « boson de Higgs »
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 4
Robert Brout (1928-2011) François Englert et Peter Higgs
•F. Englert and R. Brout, Broken symmetry and the mass of gauge vector mesons Physical Review Letters , 13 – 9, p. 321, 31 august 1964 •P. Higgs, Broken symmetry and the masses of gauge boson Physical Review Letters,13 – 16, p. 508, 19 october 1964
Mécanisme et boson BEH (Brout, Englert, Higgs)
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 5
Vue aérienne du CERN
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 6
Le détecteur ATLAS auprès du LHC
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 7
Le signal observé par le détecteur ATLAS
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 8
Mécanisme et boson BEH
• Annonce d’un premier succès de la plus grande expérience jamais entreprise par l’homme
• Qu’est-ce que le modèle standard?
• Le mécanisme et le boson BEH
• La stratégie gagnante du CERN
• Épisode d’un nouveau grand récit de l’univers
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 9
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
Une brève histoire du modèle standard
Les lignes de force du modèle standard
• Un nouveau niveau d’élémentarité: les quarks et les gluons
• Un principe unificateur: l’invariance de jauge
• Un critère de fiabilité: la renormalisabilité qui garantit la possibilité de calculer les effets des corrections quantiques et de comparer les prédictions théoriques à l’expérience
• Un mécanisme efficace de brisure de symétrie, le mécanisme de Brout Englert Higgs, à l’origine de la différentiation des masses des particules élémentaires, qui permet l'unification, sans les confondre, des interactions électromagnétiques et faibles au sein de la théorie électrofaible
• Participation, en collaboration interdisciplinaire avec la cosmologie et la physique statistique à l’élaboration d’un nouveau grand récit de l’univers
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 10
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 11
•Les constituants élémentaires de la matière: les quarks, et les leptons •les médiateurs des interactions: les bosons de jauge
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 12
Le boson BEH, la clé de voute du modèle standard
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 13
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:
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 14
Mécanisme et boson BEH
• Annonce d’un premier succès de la plus grande expérience jamais entreprise par l’homme
• Qu’est-ce que le modèle standard?
• Le mécanisme et le boson BEH
• La stratégie gagnante du CERN
• Épisode d’un nouveau grand récit de l’univers
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 15
• Unification possible des interactions faible et électromagnétique (unification électrofaible) avec le modèle des bosons intermédiaires (MBI) massifs
• Mais sans l’invariance de jauge, le MBI n’est pas renormalisable
• Avec l’invariance de jauge, le MBI est renormalisable mais il faut que les bosons intermédiaires soient sans masse
• Pour qu’existe une théorie à symétrie de jauge dans l’interaction faible, il faut que tous les constituants élémentaires (les fermions) soient sans masse
• Or des bosons intermédiaires sans masse et des fermions sans masse sont en contradiction flagrante avec l’expérience
Le défi de l’unification électrofaible
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 16
Le paradigme du chapeau mexicain
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 17
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 des états du champ définis
par le nombre de quanta d’énergie-impulsion
• Le vide quantique: état fondamental (d’énergie minimum) : état à zéro particule.
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 18
• Conséquences des inégalités de Heisenberg – Quand le nombre de particules 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 particules 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 BEH
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 19
• « 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.» 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
• Dans le vide stable, la valeur moyenne du champ BEH est différente de zéro. Quand une particule se propage dans ce milieu, elle acquiert de la masse
• En mécanique classique
• En mécanique relativiste
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 20
Énergie, quantité de mouvement, masse
2
2E
m
p énergie cinétique
2 2 2 2 4
2
0
2
2 2
2 2
0
;
1 1
0
0
v v
E c m c
E mc
mc mE
v v
c c
m v c
m E c
p
p
vp
p
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 21
Une salle emplie de physiciens bavardant tranquillement est l’analogue d’un espace empli de champ BEH
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 BEH
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 BEH
Mécanisme et boson BEH en bande dessinée
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 22
Mécanisme et boson BEH
• Annonce d’un premier succès de la plus grande expérience jamais entreprise par l’homme
• Qu’est-ce que le modèle standard?
• Le mécanisme et le boson BEH
• La stratégie gagnante du CERN
• Épisode d’un nouveau grand récit de l’univers
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 23
Le complexe d’accélérateurs du CERN: Une stratégie de développement durable
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 24
• 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
Les défis du LHC
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 25
Mécanisme et boson BEH
• Annonce d’un premier succès de la plus grande expérience jamais entreprise par l’homme
• Qu’est-ce que le modèle standard?
• Le mécanisme et le boson BEH
• La stratégie gagnante du CERN
• Épisode d’un nouveau grand récit de l’univers
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 26
Inflation? Gravitation quantique? Grande unification?
Fin de l’inflation? L’interaction forte se sépare? Les neutrinos deviennent massifs? L’antimatière disparaît
Séparation des interactions électromagnétiques et faibles. LA LUMIÈRE APPARAÎT MAIS ELLE RESTE EMPRISONNÉE! Mécanisme BEH: les bosons faibles, les quarks et les leptons deviennent massifs
Théorie unifiée électrofaible, (Glashow, Salam, Weinberg)
E~1 GeV
Chromodynamique quantique, interactions des quarks par échange de gluons
Le plasma de quarks et gluons se condense pour former un gaz de hadrons (protons, neutrons, mésons,,…)
Nucléosynthèse primordiale
Émission du fond diffus LA LUMIÈRE S’ÉCHAPPE!
Formation des amas de galaxies, des galaxies, des étoiles, des planètes, …
E~2 MeV
3 minutes
370000 ans
13,7 milliards d’années
Horizon passé des événements
Aujourd’hui
E~1016 GeV
E~200 GeV
E~1019 GeV
T~3000 K
T~2.7 K
Un nouveau grand récit de l’univers
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 27
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-
1970
Théorie quantique
des champs
Big bang QED Fermi Yukawa
1970-
2012
Théories de jauge CDM Théorie électrofaible de
Glashow, Salam, Weinberg et
Brout, Englert et Higgs
QCD
2012- … Décohérence,
théorie quantique
de l’information,
Holographie
Grande unification? Supersymétrie ? Matière
sombre ?Inflation ?Gravitation quantique ?
Vers un dépassement du modèle standard?
Pour en savoir plus
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 28
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 29
Gilles Cohen-Tannoudji
Michel Spiro
Le boson et le chapeau mexicain
Un nouveau grand récit de l’univers
(À paraître en février 2013)