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 »