Le champ et le boson de Higgs : La masse sans masse
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Le champ et le boson de Higgs : La masse sans masse Johann Collot Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie de Grenoble CNRS/IN2P3 - Université de Grenoble [email protected] Johann Collot http://lpsc.in2p3.fr/collot 1 Ce dont nous sommes faits compose aussi l'Univers visible La connaissance des composants élémentaires de la matière est l'une des clés de la compréhension de notre Univers. Johann Collot 2 Il suffit de peu pour faire un monde ! La musique : 7 notes et 2 altérations -classées sur des portées selon leurs fréquences -groupées en accords L'Univers physique : 12 particules élémentaires et 4 interactions -classées dans des multiplets (ensembles aux propriétés comparables) -systèmes liés (neutrons, protons, noyaux, atomes, molécules, cristaux, formations cosmiques ... ) Johann Collot 3 Éléments de langage ● ● ● ● ● Un champ : un fluide immatériel qui emplit l'espace physique. Il y a de nombreux champs dans l'univers (électromagnétique, gravitationnel ...) Une particule : une excitation quantique/microscopique d'un champ Le spin d'une particule : la rotation « quantique » propre (sur elle-même) d'une particule boson : une particule de l'espèce la plus courante (le photon est un boson). Les bosons portent un spin entier (0,1..,N ) . Ils peuvent être produits dans le même état quantique (laser, CBE ...). fermion : Toute autre particule. Les fermions incluent les principaux composants élémentaires de notre matière (électron, quarks). Ils portent un spin demi-entier (1/2, 3/2...,(2N+1)/2 ). Un seul fermion de même nature par état quantique. Johann Collot 4 Les particules élémentaires Boson Z Q = 0 et leurs interactions isospin = 0 0 neutrino Q=0 isospin = 1/2 Boson WQ = -|e| isospin = -1 Boson W+ Q = |e| , isospin = 1 électron Q= - |e| , isospin = -1/2 photon Q= 0 Boson W+ , neutrino -> électron Boson Z0 , neutrino -> neutrino , électron -> électron photon , électron -> électron Interaction électromagnétique électricité, magnétisme et optique Johann Collot Boson W- , électron -> neutrino Interaction faible radioactivité bêta, le Soleil ... 5 Les particules élémentaires Boson Z Q = 0 et leurs interactions isospin = 0 0 quark u (up) Q = 2/3 |e| isospin = 1/2 Boson W+ Q = |e| , isospin = 1 quark d (down) , q= -1/3 |e| , isospin =-1/2 Boson WQ = -|e| isospin = -1 photon Q= 0 Boson W+ , quark u -> quark d Boson Z0 , quark u -> quark u ; quark d -> quark d Boson W- , quark d -> quark u Interaction faible photon , quark u -> quark u ; quark d -> quark d Interaction électromagnétique Johann Collot 6 quark u vert quark u (up) Q = 2/3 |e| isospin = 1/2 Les quarks et leurs couleurs gluon rouge et anti-vert (magenta) quark d (down) , bleu 3 couleurs quantiques : rouge, bleu, vert gluon bleu et anti-vert (magenta) quarks sont unicolores. gluons sont bicolores ou quark d vert blancs (somme de couleurs) gluon rouge et anti-vert (magenta) gluon vert et anti-bleu (jaune) gluon rouge et anti-bleu (jaune) gluon vert et anti-rouge (cyan) Coq Violet de Marc Chagall gluon bleu et anti-vert (magenta) gluon bleu et anti-rouge (cyan) gluon blanc 1 gluon blanc 2 Interaction forte de couleur Johann Collot 7 Les composants élémentaires neutrino neutrino Q=0 neutrino électronique muonique bosons faibles tau Photon Q= - |e| électron quark up Q = 2/3 |e| muon quark charmé tau Gluons quark top Interaction faible q= -1/3 |e| quark down Johann Collot quark étrange quark beau Interaction électromagnétique Interaction forte de couleur 8 Le proton est une sorte de bouillonnement microscopique de quarks et de gluons d'une taille cent mille fois plus faible que celle d'un atome UP Le proton calcul sur ordinateur UP DOW N oeuvre d'art de Catherine Chariot-Dayez La structure d'un proton est plus complexe que celle d'une étoile. Johann Collot 9 Et tout le reste Johann Collot 10 Masse Dans notre modélisation du monde, les particules élémentaires nues seraient de masse nulle ce qui est contraire à l'expérience. La masse est omniprésente en physique. P=m g masse gravitationnelle Galilée F=m a masse inertielle Newton E=m c 2 équivalence masse-énergie Einstein Toutes ces masses sont identiques. En donnant une énergie propre à une particule, on lui confère une masse inerte et pesante. Johann Collot 11 Le mécanisme de Brout, Englert et Higgs Le champ BEH emplit l'univers mais initialement (juste après le Big Bang) sa valeur est en moyenne nulle. Une particule libre initialement de masse nulle interagit avec ce champ. Son énergie d'interaction est proportionnelle à sa masse et au carré de la valeur du champ (ici un nombre ou encore un scalaire). Initialement le champ est nul, par conséquent l'énergie d'interaction est nulle. Cette particule garde alors une masse nulle. Johann Collot 12 Le mécanisme de Brout, Englert et Higgs Quelques instants après le Big Bang (10 -12 s), le champ BEH subit une transition de phase. Sa valeur moyenne devient non nulle et constante en tout point de l'univers. Une particule libre acquiert une énergie d'interaction proportionnelle à sa masse et au carré de la valeur du champ. Cette particule devient massive. Sa masse est constante Toutes les particules élémentaires interagissent avec le champ BEH sauf les photons et les gluons qui demeurent donc de masse nulle. Le boson de Higgs est l'excitation du champ de Higgs. C'est Higgs qui le premier a suggéré cette possibilité. C'est une particule neutre, massive et dépourvue de spin. Johann Collot 13 Énergie Transition de phase V(φ) Initialement, juste après le Big Bang, la température est très forte, l'agitation thermique est énorme. Chaque point de l'univers voit un champ de Higgs en moyenne nul. φ Valeur du champ de Higgs Un millième de milliardième de seconde après le Big Bang, la température a suffisamment décru pour que l'univers transite vers une phase où le champ de Higgs est partout de valeur moyenne constante et non nulle. La symétrie est brisée, les particules deviennent massives. Johann Collot V(φ) φ 14 Le Big Bang ère de la matière aujourd’hui 0.2 meV formation des structures 109 ans 0.1 eV découplage matière/rayonnement équilibre matière/rayonnement 0.1 MeV nucléosynthèse primordiale ère radiative 13,7 109 ans 1 MeV 102 s 10-10 s 1015 GeV 10-34 s 1016 GeV inflation “reheating” 104 ans 300 GeV transition électrofaible grande unification 3 105 ans Johann Collot 15 La masse des particules élémentaires L'univers contient un champ partout présent : le champ de Higgs Une particule élémentaire y est immergée Le champ de Higgs s'agglutine sur cette particule, créant ainsi une énergie en apparence de masse dessins : courtoisie du CERN Johann Collot 16 Le boson de Higgs On excite le champ de Higgs Une perturbation s'y propage, c'est le boson de Higgs, qui disparaît (se désintègre) quelques instants après Une particule ressemblant fortement au boson de Higgs a été découverte récemment au CERN (annoncée le 4 juillet 2012). Elle a une masse environ 130 fois plus grande que celle d'un proton. Johann Collot dessins : courtoisie du CERN 17 La masse de notre matière Elles correspond essentiellement à la masse des noyaux. Or la masse d'un noyau est principalement la somme des masses des neutrons et des protons qui le composent (un petit peu moins). UP UP DOW N Johann Collot Mais en raison de la multitude des gluons, la masse d'un proton ou d'un neutron correspond à la somme de l'énergie portée par ces gluons. Conclusion : l'essentielle de la masse de notre matière provient de l'énergie portée par les gluons piegés dans nos protons et nos neutrons. 18 À quoi servent les accélérateurs de particules Ce sont les microscopes les plus puissants : microscope optique R = 0,2 µm microscope électronique R = 1 nm LHC R = 10-20 m = 10-11 nm (cent-milliardième de nanomètre) Ce sont des fabriques de particules lourdes et instables Les bosons W, Z, (1983) le quark top (1995)..... le LHC (2012) : un nouveau boson (de Higgs?) avec une masse voisine de 125 GeV (130 fois la masse d'un proton) Johann Collot 19 accélérateur de particules Une masse accélère en chutant dans un champ de pesanteur Johann Collot + g E 1 eV = énergie acquise par une charge |e| qui descend une DDP de 1V LHC : 7 milliers de milliards d'eV par proton = 7 TeV L'énergie stockée dans le LHC = énergie cinétique d'un A320 à 660 km h-1 concentrée sur un milliardième de gramme d'hydrogène Une charge électrique positive accélère en descendant un champ électrique créé par une différence statique ou dynamique de potentiels 20 Accélérateurs Un satellite est maintenu en orbite par la force gravitationnelle exercée par la terre. Pour garder un proton de 7 TeV sur une orbite de 4 km de rayon il faut un champ magnétique de 8,4 T . Johann Collot Une particule chargée est maintenue sur l'orbite circulaire d'un synchrotron par la force magnétique exercée par ses électro-aimants. Le LHC fonctionne avec 1232 aimants supraconducteurs de 15m de long chacun, refroidis à la température de 1,8 K (-271,4 0C) 21 Large Hadron Collider (Grand Collisionneur Hadronique) Johann Collot 22 LHC Johann Collot 23 Détecter les particules instables Technique du vase brisé : si un archéologue recueille suffisamment de fragments d'un vase brisé, il peut en reconstituer le modèle original sans l'avoir jamais vu. Si un physicien perspicace mesure suffisamment de produits de la désintégration d'une particule très instable, il peut par un calcul simple reconstituer la particule d'origine. Au LHC, il y a environ un millier de particules produites toutes les 25 milliardièmes de seconde, et un seul boson de Higgs toutes les 10 secondes ... LHC : rechercher une aiguille brisée dans une meule de foin ! Johann Collot 24 ATLAS http://atlas.ch Collaboration de 3000 scientifiques (dont 1000 étudiants) travaillant dans 174 universités et laboratoires répartis dans 38 pays du monde Johann Collot 25 Modèle d'organisation globale qui vise la coopération ouverte non concurrentielle sur le long terme. On peut regretter que l'Afrique et le Moyen Orient ne soient pas plus présents, car la science est un vecteur de paix et de développement parmi les peuples. 3000 scientifiques (dont 1000 étudiants), 38 pays, 174 universités et laboratoires Johann Collot 26 Historique : La science c'est aussi l'école de la patience ! 1964 : publication du mécanisme de Higgs par Robert Brout, François Englert et Peter Higgs 1967 : théorie complète pour toutes les particules élémentaires , Steven Weinberg 1973 : première preuve expérimentale de la validité de cette théorie apportée par l'expérience GARGAMEL du CERN conduite par André Lagarrigue 1989-2000 : le boson de Higgs est recherché sur le collisionneur LEP au CERN sans succès 1992-2011 : le boson de Higgs est recherché sur le collisionneur Tevatron aux USA sans succès 1983 : premier groupe de réflexion sur l'intérêt de la construction du LHC dirigé par Carlo Rubbia 1984-1998 : phase de conception du LHC et de ses détecteurs 1994 : Approbation officielle de la construction du LHC 1998-2008 : phase de construction du LHC et de ses détecteurs 2012 : découverte au LHC d'une particule compatible avec le boson de Higgs L'exploitation du LHC devrait se poursuivre bien au-delà de 2020 ... Johann Collot 27 Coût estimé du projet accélérateur : ~3000 MCHF , ~2500 M€ les détecteurs : ~1500 MCHF , ~1250 M€ total : ~4500 MCHF , ~3750 M€ ressources humaines : ~ 70000 personne.ans investissement de 55 k€/scientifique/an durant la phase de conception et de construction On peut ajouter une somme comparable pour les salaires Johann Collot 28 ATLAS Johann Collot 29 Comment exciter/produire un boson de Higgs proton gluon antiquark t boson de Higgs quark t gluon Johann Collot proton 30 Désintégration du boson de Higgs photon boson Wboson de Higgs boson W+ photon Johann Collot 31 Autre désintégration du boson de Higgs électron boson Z antiélectron boson de Higgs muon boson Z antimuon Johann Collot 32 Comment détecter les particules élémentaires Johann Collot 33 Higgs se désintégrant en un électron, un antiélectron, un muon et un antimuon Johann Collot 34 Higgs se désintégrant en deux photons Johann Collot 35 Un boson Z parmi 25 collisions de protons qui se désintègre en un muon et un antimuon ! Johann Collot 36 La découverte Observation d'ATLAS Observation de CMS Ici, la découverte s'appuie sur le fait que la même particule est observée avec un niveau de confiance statistique élevé (plus de 5 écarts types) et par deux instruments différents exploités par deux collaborations indépendantes. Johann Collot 37 July 4th, 2012 Johann Collot 38 Est-ce réellement le boson de Higgs ? C'est très probable mais pas encore certain ! Johann Collot 39 La découverte Un nouveau boson d'une masse proche de 125 GeV a été découvert au CERN. Cette particule a été observée par ATLAS et CMS. Elle est compatible avec les données du Tevatron aux USA. Ses propriétés mesurées sont compatibles avec celles du boson de Higgs prédit par la théorie standard. Johann Collot 40 Dessin de Chappatte Johann Collot 41 Un peu de lecture ● ● ● ● Tout public mais complet : La magie du cosmos de Brian Greene Avec des mathématiques simples : From Alchemy to Quarks de Sheldon Glashow (prix Nobel) Un peu plus formel : À la découverte des lois de l'univers de Roger Penrose Introduction complète et formelle au sujet : A Unified Grand Tour of Theoretical Physics de Ian D. Lawrie Johann Collot 42
