a(t) - Amis des Sciences

La recherche et la découverte du boson de
Higgs, une aventure humaine exemplaire
Gilles Cohen-Tannoudji
Laboratoire de recherche sur les sciences de
la matière (LARSIM CEA Saclay)
www.gicotan.fr
« Standing ovation » au CERN, le 4 juillet 2012 à l’annonce de la
découverte du « boson de Higgs »
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Recherche et découverte du boson de
Higgs, une aventure humaine exemplaire
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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)
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Recherche et découverte du boson de
Higgs, une aventure humaine exemplaire
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La quête de l’élémentarité et la course aux
hautes énergies
Les inégalités de Heisenberg
E t 
xpx 
yp y 
zpz 
Infiniment bref et infiniment petit =
infiniment grand en énergie
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Recherche et découverte du boson de
Higgs, une aventure humaine exemplaire
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Vue aérienne du CERN
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Recherche et découverte du boson de
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Le détecteur ATLAS auprès du LHC
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Higgs, une aventure humaine exemplaire
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Higgs, une aventure humaine exemplaire
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Higgs, une aventure humaine exemplaire
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Recherche et découverte du boson de
Higgs, une aventure humaine exemplaire
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La dualité champs/particules
notions
classiques :
• particules
de matière
Théorie quantique
des champs
• champs
d’interaction
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Recherche et découverte du boson de
Higgs, une aventure humaine exemplaire
notions
nouvelles :
• particules
d’interaction
• champs de
matière
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Higgs, une aventure humaine exemplaire
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Recherche et découverte du boson de
Higgs, une aventure humaine exemplaire
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Le défi de l’unification électrofaible et la
nécessité du boson
• Unification possible des interactions faible et électromagnétique
(unification électrofaible) avec le modèle des bosons intermédiaires
(MBI) massifs
• Mais le champ médiateur de l’interaction électromagnétique (le photon)
est sans masse alors que ceux de l’interaction faible (les bosons
intermédiaires) sont massifs
• Avec des bosons intermédiaires massifs et sans la propriété à l’origine du
succès de la théorie de l’interaction électromagnétique (l’invariance de
jauge), le MBI est en échec
• Le défi de l’unification électrofaible: réconcilier l’invariance de jauge et la
la masse des bosons intermédiaires
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Recherche et découverte du boson de
Higgs, une aventure humaine exemplaire
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Qu’est-ce que la masse?
p2
E
énergie cinétique
2m
En mécanique classique, il n’y a pas de
matière sans masse; il n’y a pas d’énergie sans
mouvement; il n’y a pas de limite à la vitesse
à laquelle on peut accélérer une particule
E 2  p 2c 2  m2c 4
p  0  E0  mc 2
mv 
m
2
;
v
c2
Ev  mv c 2 ; p v  mv v
1
m0vc
m0 E p c
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En mécanique relativiste, il n’y a pas de
matière sans énergie; même au repos, une
particule de masse m a une énergie
(potentielle) égale à mc2 (c est la vitesse de la
lumière); la vitesse de la lumière est
indépassable; la masse d’une particule peut
être nulle, auquel cas, cette particule se
déplace, comme la lumière quelque soit le
repère, à la vitesse c
Recherche et découverte du boson de
Higgs, une aventure humaine exemplaire
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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 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.
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Recherche et découverte du boson de
Higgs, une aventure humaine exemplaire
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• 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
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Recherche et découverte du boson de
Higgs, une aventure humaine exemplaire
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Qu’est-ce que le vide?
• « 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, Œuvres 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
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Le paradigme du chapeau
mexicain
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Recherche et découverte du boson de
Higgs, une aventure humaine exemplaire
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Mécanisme et boson de Higgs en bande dessinée
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
Elle provoque le même type
attroupement , mais cette fois
entre les scientifiques euxmêmes: un tel attroupement est
l’analogue de la particule de Higgs
Si une rumeur traverse la salle
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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
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Higgs, une aventure humaine exemplaire
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Dates
Cadre théorique
17ème
siècle
Galilée, Newton
19ème
siècle
Mécanique
analytique,
thermodynamique
statistique
Gravitation
Électro
magnétisme
Interaction
faible
Interaction
forte
Newton
Maxwell
18951898
Rayons X, électron, radioactivité
19001930
Mécanique
quantique
19051915
Relativité
19301970
Théorie quantique Big bang
des champs
19702012
Théories de jauge CDM
2012- …
Décohérence,
théorie quantique
de l’information,
Holographie
Einstein
QED
Fermi
Yukawa
Théorie électrofaible de
QCD
Glashow, Salam, Weinberg et
Brout, Englert et Higgs
Grande unification? Supersymétrie ? Matière
sombre ?Inflation ?Gravitation quantique ?
Une brève histoire du modèle standard
consolidé
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Le boson BEH, la clé de voûte du modèle standard
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Un nouveau grand récit de l’univers et
l’héritage du boson
« Le monde est une belle histoire que chaque génération s’efforce
d’améliorer. Les tourbillons de Descartes n’ont pas survécu aux progrès de la
science ; peut-être pourtant reste-t-il quelque chose de l’attitude mentale
qui faisait dire à Descartes Mundus est fabula dans ce que Poincaré appelait
plus tard les hypothèses cosmogoniques par lesquelles l’homme ne peut
s’empêcher d’essayer de se raconter l’histoire de l’univers et de reconstituer
son évolution passée. »
Georges Lemaître, L’hypothèse de l’atome primitif (note présentée lors de la
séance du 8 février 1948 de l’Académie Pontificale des Sciences, Acta
Pontificiae Academiae scientiarum, t.XII, 1948, n° 6, pp. 25-40. (Cité par
Dominique Lambert,Un atome d’Univers, op.cit. p. 315)
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Recherche et découverte du boson de
Higgs, une aventure humaine exemplaire
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L’équation d’Einstein sur une locomotive relativiste
(Merci à Gérard et Marie-Françoise Rumèbe pour la photo)
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Higgs, une aventure humaine exemplaire
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• Le modèle cosmologique du « big bang »
– Le modèle « simple » du big bang (Lemaître,
Friedman, Robertson, Walker)
• Récession des galaxies lointaines, loi de Hubble
• Abondance relative des éléments léger (nucléosynthèse
primordiale)
• Rayonnement diffus de fond cosmologique (RDFC) à environ
3 degrés Kelvin, détecté en 1965
• Constante cosmologique mise à zéro
– Les difficultés du modèle du big bang
• Trop grande homogénéité du RDFC (problème d’horizon)
• Problème de la platitude spatiale de l’univers (problème
d’ajustement fin)
• Scénario de l’inflation imaginé pour lever ces difficultés
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Higgs, une aventure humaine exemplaire
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Higgs, une aventure humaine exemplaire
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a(t)
« Big-bang »
a (t )  t  t BB
Re-inflation
a (t )  exp(t / L )
S’il n’y avait pas de
constante cosmologique
Inflation
a(t )  exp(t / LP )
t
tBB
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RH  c
a(t )
a(t )
Emission du fond diffus
cosmologique
Confinement des quarks et des
gluons
Mécanisme et boson BEH !
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E(t)
T>Tc
t<10-12 s
T=Tc
t=10-12 s
T<Tc
t>10-12 s
Le chapeau mexicain!

Transition induite par le mécanisme BEH 10-12 s
après le « Big bang »
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Conclusion
• Révolutions scientifiques globales
– Pour le moment, nous avons connu deux révolutions
scientifiques globales:
• Celle de la naissance au XVIIe siècle de la science contemporaine
(Copernic, Galilée, Newton), à l’origine de la révolution industrielle
des XVIIIe et XIXe siècles, et parvenue à l’apogée de la physique
classique au début du XXe siècle,
• La double révolution, au XXe siècle, de la relativité et des quanta,
parvenue à l’apogée actuelle (découverte du boson BEH, résultats
du satellite Planck)
– Il y a des signes annonciateurs d’une prochaine révolution
scientifique
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Recherche et découverte du boson de
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• Ruptures technologiques
– Dans la période préscientifique, les grandes
ruptures technologiques (comme l’invention du
feu, de la roue, ou de l’écriture) interviennent
indépendamment de la science
– Depuis la naissance de la science contemporaine,
ces grandes ruptures technologiques sont
intimement liées aux révolutions scientifiques:
elles peuvent les précéder (comme l’invention de
l’imprimerie), les accompagner (comme la
maitrise de l’énergie) ou leur succéder (comme
les hautes technologies du numérique)
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Recherche et découverte du boson de
Higgs, une aventure humaine exemplaire
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• Mutations anthropologiques
– D’après Michel Serres, les plus récentes grandes mutations
anthropologiques sont liées aux ruptures technologiques que nous
avons soulignées (l’écriture, l’imprimerie et le numérique)
– Ces mutations anthropologiques sont caractérisées par l’établissement
ou la profonde transformation d’un grand récit de l’univers
• Le récit biblique, à l’origine des religions monothéistes
• Le récit rationaliste des lumières
• Le récit que nous venons d’esquisser
– La portée anthropologique de ces récits leur vient du rôle référentiel
qu’ils jouent: d’après Ferdinand Gonseth, (reprenant une idée de
Jacques Monod), le sujet est un objet porteur d’un projet d’exister, et
le référentiel est l’organe du sujet qui lui sert à mettre en œuvre son
projet d’exister
– Avec notre organe de la vision (l’œil et le cerveau) nous pouvons voir
un objet en lumière visible à l’aide de l’impact de milliards de milliards
de photons…
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• Dans les expériences du LHC, avec deux photons nous avons
pu voir le boson BEH grâce à qui la masse est venue à la
matière, une picoseconde après le « big bang »
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