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La découverte du boson de Higgs
… et après?
André Gilloire
Club Astro Trégor
9 Janvier 2015
Au menu:

Brève histoire de l'atome et de la physique des particules

Le modèle standard de la physique des particules

Mécanisme BEH et boson de Higgs


La découverte expérimentale du boson de Higgs au LHC
annoncée en Juillet 2012
Perspectives de la recherche en physique des particules
après la découverte
La matière première de l’exposé

Revues:
**** Cent ans de particules… Où va la physique? Pour la Science, dossier n° 85, Oct-Déc
2014
**** Les particules élémentaires. La Recherche, dossier n° 4, Juin-Juillet 2013

Livres:
**** Gilles Cohen-Tannoudji et Michel Spiro, le boson et le chapeau mexicain. folio essais,
Gallimard, 2013
**** Daniel Denegri, Claude Guyot, Andreas Hoecker et Lydia Roos, L’aventure du grand
collisionneur LHC – du big bang au boson de Higgs. edp sciences, 2014
**** Jean-Jacques Samueli, Le modèle standard de la physique des particules – de
l’électron au boson de Higgs. ellipses, 2013

Sites web:
**** Sandrine Laplace, La découverte du boson de Higgs, et après? CNAM, 7 Février 2014
http://sfp-paris.fr/news/wp-content/uploads/2013/11/2014.02.07_SeminaireCNAM.pdf
Sites du CERN, du CNRS/IN2P3, du CEA/Irfu …
Vidéos sur YouTube: Etienne Klein, Michel Spiro, John Ellis, François Englert, Sandrine
Laplace, Bruno Mansoulié …
**** Vidéo présentation aux RCE2014: https://www.youtube.com/watch?v=kBTCqdKrWm0

Exposition:
**** Le grand collisionneur LHC, Palais de la Découverte, Paris, jusqu’au 19 Juillet 2015
Concepts d'atome et de particule
de l'Antiquité au XVIIIème siècle
Les philosophes de l’Antiquité:
Leucippe, Démocrite, Lucrèce, Epicure...
« Tout n’est que vide et atomes inaltérables… »
La vision « rationnelle » de la matière: Descartes : tout est
mouvement, la matière est infiniment divisible (les atomes
n’existent pas); Leibniz: les monades, substances immuables,
s’assemblent pour former un tout; Newton: la matière est
formée de particules dures, immuables et indivisibles
Lavoisier: pionnier de la chimie
scientifique, mesure précise des
composants des gaz (air)
Débuts de la thermodynamique
La chimie du XIXème siècle
L’hypothèse atomique prend corps
Avogadro: la « mole », de masse
caractéristique de chaque espèce
chimique, contient le même nombre
d’«entités» N = 6,023 x 1023
Dalton: première théorie atomique de
la matière: atomes indestructibles de
masses différentes se combinant selon
des proportions simples
Mendeleiev: la classification
périodique des éléments « met
en lumière la parenté entre
éléments chimiques, déterminée
par les lois fondamentales de la
structure de la matière »
(d’après Marie Curie)
L‘atome se dévoile comme un objet composite
1897: découverte de l’électron
par J.J. Thomson à Cambridge
et mesure du rapport e/m
1910: Millikan mesure la charge
électrique élémentaire e
1911: Rutherford, Jaeger et Marsden
découvrent le noyau atomique
Stabilité de
l’atome:
quantification par
N. Bohr
Découverte de nouvelles particules
1919: désintégration des noyaux N14 par rayons a avec production de H1
-> découverte du proton par Rutherford
1932: J. Chadwick découvre le neutron
transmutation Be9 -> C12 par bombardement a énergique (Po)
Découverte du neutrino électronique ne : spectre continu du rayonnement b
-> une part de l’énergie est emportée par une particule (non détectée)
1930: W. Pauli: hypothèse du neutrino
1934: E. Fermi: première théorie de la radioactivité b
1956: observation expérimentale du neutrino ne
1932: C. Anderson découvre l’anti-électron ou positron dans les rayons
cosmiques
+ Développement de la mécanique quantique:
dualité onde-corpuscule, fonction d’onde, relations d‘incertitude, spin,
principe d’exclusion, antimatière…
Bohr, Heisenberg, Schrödinger, de Broglie, Pauli, Dirac, Fermi …
De la fin des années 1940 aux années 1960-70: les moyens
d’investigation se perfectionnent, les découvertes se
succèdent: pléthore de particules et de théories…
L’organisation du monde sub-atomique s’impose:
Le « modèle standard »
de la physique des particules
… mais où est le boson ???
Le modèle standard
Construit dans les années 1960-1970
Basé sur la mécanique quantique et la relativité restreinte
Les fermions, particules de
matière, interagissent via des
forces véhiculées par les
bosons, particules médiatrices
associées à des « champs »
Hypothèse forte: les lois du
monde microscopique
respectent des symétries, dont
sont issues les forces, et qui
sont associées à des lois de
conservation ou d’invariance
Particules élémentaires
et vide quantique
(d’après Sandrine Laplace, RCE 2014)
Particules élémentaires
et relativité restreinte
Particule au repos: « énergie de masse » E0 = m0 c2
Particule en mouvement à la vitesse v:
énergie totale E2 = E02 + p2 c2
p = mv quantité de mouvement
-> transformation énergie cinétique <-> masse
(d’après Sandrine Laplace, RCE 2014)
Les interactions fondamentales
• Quatre interactions décrivent le monde connu
• Trois d’entre elles procèdent par échange de particules médiatrices:
les bosons de jauge
• Les symétries présentes dans le modèle standard imposent que ces
bosons soient de masse nulle
(d’après Sandrine Laplace, RCE 2014)
Une analogie pertinente
• Le ballon représente la particule médiatrice de l’interaction
• L’échange du ballon oblige les deux barques à s’éloigner l’une de
l’autre par conservation de la quantité de mouvement (<=> symétrie)
• Un ballon léger pourra être échangé à grande distance, alors qu’un
ballon lourd ne pourra être échangé qu’à courte distance -> la masse du
boson (qui n’est pas toujours nulle!) est liée à la portée de l’interaction
Masse des bosons: observation et théorie
Fait expérimental: les bosons Z et W médiateurs de
l’interaction faible ont une masse non nulle …
-> contradiction apparente entre réalité et théorie
Trois solutions possibles:
1. la théorie (le modèle
standard) est fausse
2. les observations sont mal
interprétées
3. il faut compléter la théorie
Solution 3 retenue: la notion de
masse est à réinventer!
(d’après Sandrine Laplace, RCE 2014)
Le modèle standard complété
par le « boson de Higgs »
Mécanisme proposé en 1964 par R. Brout et F. Englert, et P. Higgs
La masse n’est plus une propriété intrinsèque de la matière, mais
résulte de l’interaction entre les particules et le « champ de Higgs ».
Le « boson de Higgs » est le vecteur de cette interaction.
• seule particule élémentaire
de spin 0 (particule scalaire)
• « donne leur masse » aux
particules élémentaires,
notament aux bosons Z et W
(d’après Sandrine Laplace, RCE 2014)
Les interactions dans le modèle complété
Le mécanisme de Brout-Englert-Higgs
Premiers instants de l’univers: le
champ de Higgs remplit tout
l’espace mais n’interagit pas avec
les autres particules, qui n’ont pas
de masse et se déplacent à la
vitesse de la lumière
t0+10-10s: « brisure de symétrie »
électro-faible: le champ de Higgs
acquiert une « valeur dans le vide
non nulle »; certaines particules
interagissent avec ce champ et sont
ralenties: elles acquièrent une masse
(d’après Sandrine Laplace, RCE 2014)
Vous n’avez rien compris ???
Une autre méthaphore…
En termes techniques, le
vide quantique « se
condense » autour d’une
particule, ce qui lui confère
une masse.
Il peut même s’ « autocondenser » sous l’apport
d’énergie, comme des
personnes se regroupent
pour discuter d’une rumeur
qui vient d’être annoncée.
Cette condensation est
effectivement le boson de
Higgs.
Pour en terminer avec la théorie
Potentiel de Higgs en « chapeau mexicain »
Le « potentiel de Higgs » a pris cette forme 10-11 s après le big bang, lorsque la
température de l’Univers a baissé suffisamment. Une transition spontanée vers un
état de plus basse énergie s’est alors produite en s’accompagnant de la brisure de la
symétrie initiale (position sur l’axe). C’est à partir de cet instant que le champ de
Higgs, devenu non nul, a pu interagir avec la matière et « donner » une masse à
certaines particules.
La formule de l’univers…
La découverte du boson de Higgs au LHC
La recherche du boson de Higgs
Avant de le découvrir expérimentalement, les inconnues sur le
boson de Higgs étaient sa masse, et la certitude qu’il existe !
Production du boson de Higgs:
collisions des constituants du
proton (quarks et gluons)
Désintégration du boson de Higgs:
plusieurs « canaux » avec des
probabilités d’occurrence variables
(d’après Sandrine Laplace, RCE 2014)
Etat des lieux avant la découverte
(d’après Sandrine Laplace, CNAM 2014)
Le LHC: Large Hadron Collider
(d’après Sandrine Laplace, RCE 2014)
La cascade des accélérateurs du CERN
Production des faisceaux de protons
à très haute énergie (7 TeV) dans le LHC
Les aimants guident les faisceaux de Les cavités hautes fréquences
particules pour les canaliser dans
fournissent l’énergie aux faisceaux
deux tubes de diamètre quelques cm de particules en les accélérant
Aimants et cavités sont maintenus à très basse température: supraconducteurs, ils
conduisent les forts courants nécessaires au guidage et à l’accélération des protons
Les expériences autour du LHC:
quatre grands détecteurs de particules
LHC-b:
physique
du quark
« beau »
ATLAS: A
Toroidal
Lhc
ApparatuS
CMS:
Compact
Muon
Solenoid
ALICE:
collisions
Pb-Pb,
plasma
quarksgluons
Les deux détecteurs géants ATLAS et CMS
sont dédiés à l’étude du boson de Higgs
Structure d’un détecteur
LHC-b:
physique
du quark b
ATLAS: A
Toroidal
Lhc
ApparatuS
CMS:
Compact
Muon
Solenoid
ALICE:
collisions
Pb-Pb,
plasma
quarksgluons
Les deux détecteurs géants ATLAS et CMS
sont dédiés à l’étude du boson de Higgs
Le détecteur ATLAS: une « cathédrale de la science »
22 x 46 m soit ½ N.D. de Paris
7000 tonnes = la Tour Eiffel
100 millions de canaux électroniques
3000 km de câbles
3000 physiciens de 38 pays, 174 institutions, y collaborent
Le traitement des données
(d’après Sandrine Laplace, CNAM 2014)
Les résultats statistiques pour ATLAS
Résultats semblables pour CMS
La signification des résultats
s’améliore avec la disponibilité
de nouvelles données.
La probabilité que le pic s’explique par
des fluctuation du bruit de fond est
inférieure à un milliardième !
Les physiciens sont donc pratiquement
certains que le phénomène observé est
la manifestation du boson de Higgs
La découverte du « Higgs » est l’aboutissement
d’une quête de près de 50 ans !
Le « Higgs »
découvert… et après ?
Des questions reliées au « Higgs »
(d’après Sandrine Laplace, RCE 2014)
Physique des particules et cosmologie
(d’après Sandrine Laplace, RCE 2014)
La supersymétrie
au-delà du modèle standard
 Cadre théorique créé dans les années 1970 pour résoudre
certains problèmes du modèle standard
 associe à chaque particule du modèle standard un
« superpartenaire » massif de statistique quantique
complémentaire (fermion vs. boson)
 Pourrait « expliquer » les valeurs des masses des
particules du modèle standard et l’intensité des forces
d’interactions (« constantes de couplage »)
 Problématique car aucun trace de particule supersymétrique
trouvée jusqu’à présent. Peut-être dû à l’insuffisance de la
puissance des accélérateurs actuels, y compris le LHC
Les autres axes de recherche au LHC
 Le modèle standard prévoit une symétrie matièreantimatière; or on observe une dissymétrie: il n’y a pratiquement
pas d’antimatière. Pourquoi?
-> réponse possible via le détecteur LHC-b: production et étude
du quark « beauty »
 Dans ses premiers instants l’univers a été constitué d’un plasma
de quarks et de gluons
-> l’expérience ALICE (collision d’ions lourds Pb82) permettra de
se replacer dans les mêmes conditions et de réaliser une étude
fine de ce plasma et de l’interaction forte via les produits de
désintégration
(d’après Sandrine Laplace, CNAM 2014)
En matière de conclusion
 La découverte du boson de Higgs a révolutionné la notion de
masse des particules élémentaires:
• la masse (inertielle) n’est pas une propriété intrinsèque
des particules, mais résulte de leur interaction avec le vide,
empli du « champ de Higgs »
• le médiateur de l’interaction est le boson de Higgs,
« condensation » du vide quantique
 cette découverte a été rendue possible par un effort sans
précédent de la communauté des physiciens et par l’existence du
CERN, pôle mondial de la recherche en physique des particules
 de nombreuses questions encore non résolues ont une incidence
sur notre compréhension de la matière et de l’Univers: il faut
dépasser le modèle standard et construire une « nouvelle physique »