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21 novembre 2012
le mécanisme de Higgs
• Conférence de Robert HEIKES
• Présentée par Bruno RIERA
20è siècle:
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1909
1930
1931
1932
RUTHERFORD découvre le NOYAU atomique
PAULI suggère le « Neutrino »
DIRAC postule le « Positron »
ANDERSON Découvre le « Positron »
CHADWICK découvre le « Neutron »
1933 FERMI modélise l’interaction faible (force par contact)
1934 YUKAWA postule le « Pion »
1936 ANDERSON Découvre le « Muon »
1947 découverte du « Pion » (Powell, Lattes, Occhialini)
1956 mise en évidence du « Neutrino »
1961 Théorie électrofaible de Glashow
Nambu et Goldstone développent le principe de brisure spontanée de symétrie
1964 Gell Man postule l’existence des quarks
1964 Higgs, Brout et Englert appliquent le mécanisme de la brisure de symétrie aux
particules; ils postulent le boson de Higgs
1967 Glashow, Weinberg et Salam unifient électromagnétisme et force faible:
postulent W et Z
1969 mise en évidence des quarks par Feynman et Bjorken
1983 découverte au CERN des bosons W et Z
2012 annonce de la découverte d’une particule : boson de Higgs
Notions de « base »
• Fermions et bosons, interactions (matière et forces)
• Interaction faible, Bosons W et Z
Les fermions construisent la matière
Diagrammes de Feynman
bosons fermions
théorie quantique des champs
Gravité et Electromagnétisme
Portée infinie
l’intensité diminue comme le carré de la distance
Notions de « base »
• Fermions et bosons, interactions (matière et forces)
• Interaction faible, Bosons W et Z
Elle transforme : électron en neutrino,
proton en neutron
• Δ(E) x Δ(t) ≥ h
• E = mc²
Notion de « multiplet »
• Algue bleue
• Bactérie
• Chat
chimpanzé
poisson
géranium
humain
espadon
virus
• Ex : singlet : le virus est le seul non autonome
• Ex : doublet : chimpanzé et humain sont interchangeables,
comme bactérie et algue bleue
• Ex: triplet : chat, chimpanzé, humain: animaux vivent hors de
l’eau
• avec les particules du modèle standard … on parle de
multiplets d’états quantiques
Chimère quantique (multiplet)
parité
Chien Shiung Wu et ses collaborateurs démontrèrent la violation de
symétrie fin 1956:
la force faible ne respecte pas la parité
!!
Parité non respectée :
seules les particules L (gauches) sont sensibles à la force faible
Le problème
• L’observation de la très courte portée de l’interaction
implique que les bosons sont lourds
• Le modèle théorique fonctionne à merveille si les
bosons sont sans masse.
• Par contre, si on introduit une masse, le modèle
dysfonctionne .
1964 Le mécanisme de Higgs
2012 : annonce du LHC
Kibble, Guralnik, Hagen, Englert, et Brout
Le mécanisme de Higgs résulte des
propriétés fondamentales du vide
Brisure de symétrie dans l’atmosphère humide
pas de particules, au chaud
/
la neige apparait au froid
Brisure de symétrie dans les nuages
représentation de l’énergie du champ
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La courbe pointillée donne l'allure de l'énergie libre pour une température
supérieure à la température critique.
La courbe linéaire représente l'énergie libre en dessous de la température critique.
Thermodynamique
ferromagnétisme
• Flambage d'une barre d'acier. Si la force de compression verticale est
inférieure à une valeur critique, la barre reste droite, le minimum de
l'énergie potentielle est symétrique par rapport à la rotation autour de la
barre. Si la force dépasse la valeur critique, la barre flambe ; le minimum
de l'énergie potentielle n'est plus symétrique par rapport à la rotation,
alors que la forme de l'énergie potentielle l'est
Dans ce cadre du mécanisme de
Higgs, la symétrie locale de
l'interaction électrofaible est brisée
spontanément en introduisant
un champ scalaire non nul dans
le vide.
La symétrie est brisée, parce que
le vide n’est plus invariant par
rotation !!
10100 par cm3
4 bosons de Goldstone
• Productions possibles de bosons de Higgs
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Production de particules de Higgs entre hadrons et leptons. A gauche la
transformation d’un quark bottom (b) en quark étrange (s) avec production
d’une paire de muons . Cette décroissance requiert un courant neutre
véhiculé par une hypothétique particule de Higgs, H°.
A droite l'annihilation d’une paire de quarks u-anti u avec production d’un
boson Z° qui produit un boson de Higgs H° tandis que l’énergie restante crée
une paire de muons
Productions possibles de bosons de Higgs
• Désintégration du boson de Higgs avec deux
photons gamma. Atlas et CMS voient tous les
deux des signes de ce mode de désintégration
du boson de Higgs avec une masse similaire de
l'ordre de 126 GeV.
• A typical candidate event including two high-energy
photons whose energy (depicted by red towers) is
measured in the CMS electromagnetic calorimeter. The
yellow lines are the measured tracks of other particles
produced in the collision.
• Di-photon (γγ ) invariant mass
distribution for the CMS data of
2011 and 2012 (black points with
error bars). The data are weighted
by the signal to background ratio for
each sub-category of events. The
solid red line shows the fit result for
signal plus background; the dashed
red line shows only the background
• Désintégration selon le canal des bosons Z.
•
Event display of a H -> 2e2mu candidate event with m(4l) = 122.6 (123.9) GeV
without (with) Z mass constraint. The masses of the lepton pairs are 87.9 GeV and
19.6 GeV. The event was recorded by ATLAS on 18-Jun-2012, 11:07:47 CEST in run
number 205113 as event number 12611816. Zoom into the tracking detector.
Muon tracks are colored red, electron tracks and clusters in the LAr calorimeter are
colored green.
•
Event recorded with the CMS detector in 2012 at a proton-proton centre of mass
energy of 8 TeV. The event shows characteristics expected from the decay of the
SM Higgs boson to a pair of Z bosons, one of which subsequently decays to a pair
of electrons (green lines and green towers) and the other Z decays to a pair of
muons (red lines).
CMS-PHO-EVENTS-2011-010 - 5 - GIF;ICON-640, GIF;ICON, JPG
Real CMS proton-proton collision events in which 4 high energy muons (red lines) are
observed. The event shows characteristics expected from the decay of a Higgs boson but is
also consistent with background Standard Model physics processes
Event recorded with the CMS detector in 2012 at a proton-proton centre of
mass energy of 8 TeV. The event shows characteristics expected from the
decay of the SM Higgs boson to a pair of Z bosons, one of which subsequently
decays to a pair of electrons (green lines and green towers) and the other Z
decays to a pair of muons (red lines).
FIN
• From Robert Heikes :
[email protected]
Particules virtuelles (parenthèse)
• Les particules virtuelles sont des « fantômes »
des particules réelles.
• Elles ont les mêmes caractéristiques sauf que leur
énergie semble libre.
• Mais la question n’est pas: l’énergie est elle
conservée, mais
Est il observable que l’énergie n’est pas conservée
Motivations
• Le modèle standard repose en grande partie sur les concepts de symétrie et d'invariance, notamment
l'invariance de jauge qui génère les interactions. Cette invariance interdit d'introduire des termes de masse
pour les bosons de jauges, vecteurs de l'interaction.
Or certains de ces bosons (les W et le Z de l'interaction faible) ont une masse. Le défi relevé par des
physiciens comme Peter Higgs en 1964 a consisté à générer ces termes de masse en évitant de remettre en
cause l’édifice théorique du modèle standard.
Mécanisme
• Dans ce cadre du mécanisme de Higgs, la symétrie locale de l'interaction électrofaible peut être brisée
spontanément en introduisant un champ scalaire de valeur moyenne non nulle dans le vide, conférant une
masse non nulle aux bosons de jauge W et Z .
• En conséquence de cette masse, l'interaction faible qui est transportée par les bosons W et Z est
à courte portée (de l'ordre de 10-18 m).
• Afin d'avoir la brisure de symétrie recherchée, il faut considérer qu’a cause de ce champ scalaire, l'état du
vide n'est plus invariant par rotation.
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La masse n'est pas une propriété intrinsèque d'une particule, mais devient la résultante d'une interaction
entre les particules et le champ de Higgs.
De façon indirecte le mécanisme de Higgs serait également la source de la masse non nulle de tous
les fermions qui composent la matière.
De l'absence d'interaction du photon avec ce champ découlerait ainsi à la fois sa masse nulle (le photon se
mouvant sans difficulté dans le champ de Higgs), et la portée infinie du champ électromagnétique.
Le boson de Higgs
Au champ de Higgs est apparié une particule correspondante, dénommée boson de Higgs.
Symétrie brisée
Symétrie