Le boson de Higgs:
“Qu’est-ce que celui-ci, comment fut-il obtenu et que nous amènera
sa découverte à l’avenir ? »
TFE
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Sujet du TFE : « Qu’est-ce que le boson de Higgs, comment fut-il obtenu et que nous
amènera sa découverte à l'avenir ? »...
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Table des matières :
Introduction .........................................................................................
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Introduction:
Le 4 juillet 2012, le CERN, organisation européenne pour la recherche nucléaire, avec un
degré d’assurance...
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science, nous prenons en main et contrôlons la nature, nous exploitons lois de la physique à
notre profit. De plus, j’ad...
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temps où la masse et densité devient infinie. De plus, on considère que les dimensions espace-
temps y sont infiniment p...
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Le fond diffus cosmologique est le rayonnement électromagnétique provenant du Big Bang.
Avec l’expansion de l’Univers, c...
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antiparticules, nous surlignons le symbole de la particule initiale. Cependant, une particule à
charge nulle telle que l...
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défauts. C’est pourquoi je vais me concentrer sur le modèle standard. La physique des
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Nous pouvons nous poser la question « qu’est-ce qu’une particule élémentaire ? ». En effet
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j’utiliserai plutôt les unités keV, MeV et GeV, correspondant respectivement à mille, un
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Les fermions :
Les fermions se divisent également en deux familles : les leptons et les quarks. Il y a douze
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forment entre autres les protons et neutrons. La masse du quark up est de 2,3 MeV, et celle
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Le boson de Higgs :
Symbole du boson de Higgs, particule à charge nulle. Elle est donc neutre. [10]
A présent, j’ai don...
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Notons que le boson de Higgs n’existe pas à l’état naturel sous forme de particule, mais sous
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brisure de symétrie en 1960, que nous expliquerons avec le mécanisme de Higgs. Son travail
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Description de la particule et de son mécanisme :
Le boson de Higgs est donc un boson fonctionnant en tant qu’un champ ...
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par un changement qui dépend de la position espace-temps4. Dans un système de particules, si
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J’ai énoncé que ce boson agit sous forme de champs. En comparaison avec l’analogie du lac
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Ceci est très important, car sinon, les échanges se feraient entre particule partout dans
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Schéma simplifié des interactions entre particules élémentaires du modèle standard. Les lignes bleues représentent les
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Il fut fondé en 1954, en tant qu’une des premières organisations à échelle continentale. Le
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Cependant, on peut noter qu’à notre échelle, 7 TeV ne représentent pas grand-chose. En effet,
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Le LHC :
Avant d’entamer celui-ci, je vais d’abord brièvement expliquer comment fonctionne un
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propriétés des particules est que leur élan et longueur d’onde sont inversement proportionnels.
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L’idée resta à l’ébauche jusqu’en 1990, où des physiciens du monde entier se sont rendus en
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sont le quark u, d, s,… Ici, le quark d se désintègre en un quark u et un boson W négatif. Par
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quatre « canaux » principaux, dont la fusion de gluons. Ces derniers produiraient un quark t,
très lourd et instable, a...
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  1. 1. Le boson de Higgs: “Qu’est-ce que celui-ci, comment fut-il obtenu et que nous amènera sa découverte à l’avenir ? » TFE 2012-2013 Blumenthal Jeremy, 6G3 Lycée Maria Assumpta Audrey Schollier Cours de Chimie
  2. 2. 1 Sujet du TFE : « Qu’est-ce que le boson de Higgs, comment fut-il obtenu et que nous amènera sa découverte à l'avenir ? » *chiffre : correspond à une note de bas de page. [Lettre ou chiffre] : correspond à une référence. Image de la page de garde : représentation artistique de la formation d’un boson de Higgs, suite à une collision entre protons dans un accélérateur de particules. [29]
  3. 3. 2 Table des matières : Introduction ..............................................................................................................................3 L’Univers et ses origines ..........................................................................................................4 Le Big Bang ............................................................................................................................4 Défauts du modèle ..................................................................................................................7 La physique des particules.......................................................................................................7 Le modèle standard.................................................................................................................8 La relation masse-énergie....................................................................................................9 Le spin...............................................................................................................................10 Structure du modèle ..........................................................................................................11 Les fermions......................................................................................................................12 Les bosons.........................................................................................................................13 Les hadrons...........................................................................................................................15 Les baryons .......................................................................................................................15 Les mésons ........................................................................................................................16 Défauts du modèle standard.................................................................................................16 Le boson de Higgs...................................................................................................................16 Carte d’identité.....................................................................................................................17 Un peu d’histoire...............................................................................................................17 Description de la particule et de son mécanisme ..............................................................20 Comment fut-il obtenu ? .......................................................................................................24 Le CERN ...........................................................................................................................24 Le LHC..............................................................................................................................27 L’expérimentation du boson de Higgs ..............................................................................32 Qu’attendre de l’avenir ? .....................................................................................................35 Conclusion...............................................................................................................................38
  4. 4. 3 Introduction: Le 4 juillet 2012, le CERN, organisation européenne pour la recherche nucléaire, avec un degré d’assurance de 99,9999 %, annonça la découverte d’une particule produite expérimentalement compatible avec le boson de Higgs. Celui-ci est une particule élémentaire théorique expliquant l’origine de la masse pour certaines particules. Depuis peu, suite à l’analyse approfondie des résultats de l’expérience, sa production est devenue certaine et confirmée. Son existence fut mise en évidence par plusieurs savants dont Peter Higgs en 1964, mais jusqu’à présent, aucune expérience n’avait pu le confirmer. On est donc dans le domaine de la physique des particules, appartenant à la physique quantique. On y traite et étudie tout ce qui concerne le monde microscopique tel que les particules subatomiques de la matière et les forces. De nos jours, on utilise le modèle standard pour expliquer tous les phénomènes concernant ces particules. Cette théorie a un but unificateur dans ce domaine, mais elle reste encore incomplète. Le boson de Higgs fût prédit par celui-ci et sa « production » grâce à un énorme accélérateur de particules rapproche ce modèle à sa complétion. En effet, il est le dernier élément manquant de ce modèle, il était donc attendu par les physiciens du monde entier. Je vais donc, au travers de ce développement, traiter le boson de Higgs, le décrire, le comprendre pour en conclure ce qui nous mènera vers la question : « Qu’est-ce que le boson de Higgs, comment fut-il obtenu et que nous amènera sa découverte à l’avenir ? ». Pour ce faire, je vais effectuer un développement complet et illustré pour permettre une bonne compréhension du sujet. Ensuite, je répondrai à la question. Le travail de recherche se composera de plusieurs chapitres, je commencerai par expliquer la théorie du Big Bang et le début de l’univers pour rappeler l’origine de tout ce qui nous entoure. Après cela, j’aborderai la physique des particules pour mettre en situation le boson de Higgs. Ensuite, je me concentrerai sur cette particule, j’expliquerai pourquoi on a prédit son existence, je décrirai celui-ci ainsi que comment il fut produit et comment fonctionne les accélérateurs de particules. Par la suite, je déterminerai ce qu’elle nous apportera dans le futur. Enfin, je terminerai sur une conclusion résumant les différentes étapes de mon développement et j’élargirai la question d’avenir plus globalement. Je verrai par exemple, l’avenir du modèle standard, notamment avec la supersymétrie et la théorie de grande unification, que je citerai brièvement. Je présenterai surtout donc la physique sous son aspect théorique (les autres branches sont expérimentales et mathématiques). L’infiniment grand et l’infiniment petit est toujours quelque chose qui m’a fascinée. Découvrir les grands mécanismes de l’Univers m’intéresse beaucoup, en effet j’admire la complexité derrière tout cela, qui de plus est dans un sens très élégant et précis. C’est aussi l’origine de tout cela et le mystère qui en surgit qui m’intéresse dans la science. Cela est d’autant plus intéressant avec le progrès de plus en plus rapide de la science et de la technologie actuelle. En effet, avec une compréhension de l’univers de plus en plus approfondie, on arrive à produire des outils remarquables. En quelque sorte, grâce à la
  5. 5. 4 science, nous prenons en main et contrôlons la nature, nous exploitons lois de la physique à notre profit. De plus, j’admire l’histoire et l’évolution de la pensée humaine, la motivation et les exploits réalisés pour comprendre le monde dans lequel nous vivons. Dans ce cas-ci, mon sujet parle entre autre des briques fondamentales de l’univers, de l’essence même de tout ce qui nous entoure, comment et pourquoi le monde se comporte ainsi. C’est pour cette raison que j’ai immédiatement pris ce sujet comme choix principal de mon TFE. En effet, tout au long de mon travail, j’ai énormément appris de choses sur l’univers grâce à ce sujet. Cela m’a encore plus intéressé à la physique, et à bel et bien changé ma vision du monde (au niveau scientifique bien sûr). D’une certaine manière, ce sujet a influencé mes choix d’orientation pour mes études universitaires, surtout dans le domaine de la physique. Sans plus tarder, entrons dans le vif du sujet ! L’Univers et ses origines: Premièrement, je commencerai par parler de l’origine de notre Univers pour expliquer pourquoi il est ce qu’il est aujourd’hui au niveau des particules et des briques de la matière. On ne sait pas pourquoi l’Univers existe, ni son but ou destin, s’il y en a un. Mais il a cependant forcément un début, un commencement. La théorie du Big Bang est la plus connue et la plus acceptée pour décrire ce commencement. L’Univers peut être défini comme l’ensemble de tout ce qui nous entoure, nous influence, même si on ne s’en rend pas compte. Cela va donc du monde microscopique, à notre échelle macroscopique, jusqu’aux coins les plus mystérieux de l’espace. Il y a encore de nombreuses choses qu’on ne comprend pas de notre Univers, tel que ses limites dans l’espace (s’il y en a), mais avec le progrès de la science, nos connaissances vis-à-vis de celui-ci s’améliorent. On peut cependant remarquer un facteur important, il est toujours gouverné par un ensemble de lois, appelées les lois de la Physique. Selon la théorie du Big Bang et les observations de l’espace, notre Univers aurait un âge de 13,7 milliards d’années. Tout au long de ce chapitre, je vais me concentrer sur l’aspect matériel de l’Univers et de son origine. Le Big Bang : Cette théorie dit que l’Univers et toute matière fut créée suite à une grande explosion il y a 13,7 milliards d’années appelée Big Bang. La théorie a vu le jour en 1927, elle fut proposée par le belge George LeMaître, astronome et physicien. En 1929, Edwin Hubble, astronome américain a découvert que les galaxies lointaines s’éloignaient de nous à une vitesse de plus en plus grande. On en a conclu qu’à un moment donné dans le passé, toutes ces galaxies devaient être proches l’une de l’autre. Cette découverte était le premier support observationnel qu’on pouvait attribuer à la théorie. On pouvait conclure que l’Univers était en expansion accélérée. De plus, LeMaître a postulé que l’Univers était au début dans un état très chaud et dense formant une singularité gravitationnelle. Une singularité est une région de l’espace-
  6. 6. 5 temps où la masse et densité devient infinie. De plus, on considère que les dimensions espace- temps y sont infiniment petites. Je vais maintenant présenter les différentes étapes du Big Bang, à savoir que cette théorie ne peut expliquer pourquoi la singularité existe, ni ce qu’il s’y passait avant l’explosion. En effet, cette théorie explique plutôt l’évolution de l’Univers qui en surgit par la suite. Représentation de des différentes étapes du Big Bang au cours du temps. Celle-ci concerne la création de la matière en particulier. [1] Donc, cette singularité a provoqué une explosion à des températures extrêmement élevées dilatant continuellement l’Univers. Par la suite (des milliardièmes de seconde plus tard), l’Univers s’est refroidi, ce qui a permis la formation de particule constituant actuellement les protons et neutrons, les quarks, ainsi que les électrons. J’en expliquerai le mécanisme plus tard. Quelques millionièmes de seconde plus tard, ces quarks s’associèrent pour donner les protons et neutrons, à ce stade la température avoisinait les cent milliards de degrés. De nombreuses autres particules sont également créées, je les décrirai plus tard. Il y avait également de la lumière enfermée dans tout cela, en effet, celle-ci interagissait continuellement avec les électrons libres. Pendant les quelques minutes suivantes, la température a chuté à un milliard de degrés, les protons et neutrons formaient les premiers noyaux d’atome, dont l’hydrogène et l’hélium. Ce sont les premiers noyaux d’atome stables. Le fond diffus cosmologique est issu de ce découplage de matière et énergie. Représentation du fond diffus cosmologique sous forme de carte produite par une sonde spatiale. On y voit des fluctuations de température et densité. [2]
  7. 7. 6 Le fond diffus cosmologique est le rayonnement électromagnétique provenant du Big Bang. Avec l’expansion de l’Univers, celui-ci a été refroidi à une température de -270°, très proche du zéro absolu. Il peut être observé partout dans l’espace car il a été conservé par la lumière. Sur le spectre électromagnétique∗1, il se situe dans la longueur d’onde des micro-ondes. Il est une conséquence du Big Bang avec sa chaleur intense et peut être considéré comme une carte d’identité de l’Univers ou une carte de l’espace, variant selon l’évolution de ce dernier. Ce rayonnement donne donc beaucoup d’informations sur le Big Bang et l’Univers quand il était jeune, notamment les fluctuations de température et de densité. C’est à partir de celui-ci que la théorie est d’ailleurs basée pour retracer les différentes étapes de l’évolution de l’Univers. L’image ci-dessus représente une cartographie de ce rayonnement par une sonde spatiale, la WMAP. Plus ou moins 380 000 ans plus tard, la température ayant chuté à quelques milliers de degrés, les électrons pouvaient être capturés par les noyaux d’atome. Cela formait les premiers atomes légers, l’hydrogène et l’hélium y fut produit en abondance. Ensuite, les électrons capturés libérèrent l’énergie qu’ils contenaient sous forme de lumière (rayonnement électromagnétique, que j’expliquerai plus tard), rendant l’Univers transparent et visible. En effet, les photons n’interagissaient plus systématiquement avec les électrons. Après 1,6 millions d’années, suite à la gravitation, des amas matière sous forme de nuages gazeux formèrent les premières étoiles et galaxies, des atomes plus lourds, tels que le fer, le carbone et l’oxygène commencèrent à être produits au cœur des étoiles au bout d’un milliard d’années. Ces atomes furent catapultés dans l’Univers par les supernovas, des explosions stellaires. Ainsi des milliards d’années plus tard, la matière se créait à partir des particules formées dans l’espace. En effet, les atomes s’associaient et formaient des molécules, les galaxies qui en surgissaient devenaient nombreuse et des systèmes solaires se créaient, ainsi que des trous noirs et autres phénomènes actuellement visibles dans l’espace. A l’échelle de l’Univers, ce n’est que récemment que les atomes ont formé les molécules complexes de la vie. En ce qui concerne l’avenir de l’Univers, les scientifiques ont plusieurs théories, certains pensent que l’Univers finira par se contracter, donnant des cycles de dilations et contractions. D’autres pensent que l’expansion ne s’arrêtera jamais, et que le l’Univers pourrait soit se déchirer, soit il atteindrait une température de zéro absolu,… De toute manière, l’avenir de celui-ci semble être destructeur. Notons que pour toutes ces particules produites, il existe une antiparticule qui y correspond. Une antiparticule possède les mêmes caractéristiques que la particule à laquelle elle correspond, mais elle diffère généralement de celle-ci par sa charge qui en est l’opposée. Par exemple, l’antiparticule de l’électron est le positron, noté 𝑒+ . Pour noter les autres 1 * : Le spectre électromagnétique correspond à l’ensemble des ondes de celui-ci. Celui-ci correspond également à la lumière. Les ondes varient en longueur, ce qui divise le spectre. Une partie du spectre correspond à la lumière visible à l’œil humain. D’autres parties plus courtes forment par exemple les micro-ondes.
  8. 8. 7 antiparticules, nous surlignons le symbole de la particule initiale. Cependant, une particule à charge nulle telle que le neutron peut aussi avoir une antiparticule correspondante. Ces particules forment donc ce qu’on appelle l’antimatière, qui, théoriquement aurait le même aspect que la matière que nous connaissons, mais s’opposerait par la charge électrique. De plus, si une particule rencontre son opposé, alors celles-ci s’annihileront pour former de l’énergie. Fort heureusement, Il n’y a pas d’antimatière à notre proximité. Nous n’avons d’ailleurs pas encore trouvé d’antimatière à l’état naturel. La raison est encore inconnue, mais nous pensons que cela remonte au Big Bang. En effet, selon les scientifiques, le modèle du Big Bang prédit qu’il y avait une quantité presque équivalente de matière et d’antimatière qui s’est formée juste après celui-ci. De ce fait, Toute cette matière et antimatière s’est annihilée pour donner de l’énergie. La raison qu’aujourd’hui, on observe que de la matière est théoriquement dû au fait qu’il y avait un léger déséquilibre entre les deux en faveur de la matière. C’est ce déséquilibre qui représente la matière qu’on observe actuellement. Défauts du modèle : Pour conclure ce développement, il faut savoir que cette théorie comporte des défauts. En effet, elle n’explique pas ce qui précède l’explosion, et comporte d’autres soucis plus techniques. Un autre problème est que, selon les calculs, les physiciens-astronomes ont déduit que la matière-énergie que nous connaissons et qui est issue du Big Bang ne compte que pour 4% des composants de l’Univers. En effet, 26% des composants seraient constitués d’une matière mystérieuse et inconnue appelée matière noire. Elle est appelée ainsi puisqu’elle n’émet aucune lumière ou radiation, on ne sait donc pas l’observer. De plus, on ne comprend pas pourquoi l’expansion de l’Univers s’accélère. Cela demanderait beaucoup d’énergie qu’on n’a toujours pas observée dans l’Univers. Elle est encore plus mystérieuse que la matière noire, on l’appelle énergie noire. Elle composerait les 70% qui restent dans les constituants de l’Univers. Suite à cette accélération expansive, elle a un effet opposé à la gravitation. La physique des particules : Entrons donc dans la physique des particules. Comme je l’ai précisé, ce domaine étudie les constituants élémentaires de la matière à l’échelle microscopique, c’est-à-dire, les particules subatomiques. En effet, je vais voir ce qui structure la matière. On y traite également les forces fondamentales de la Nature ainsi que le rayonnement. Le modèle standard est actuellement utilisé pour expliquer le comportement entre ces particules élémentaires ainsi que les forces fondamentales qui régissent leurs interactions. Il est incomplet et a des défauts, mais il est actuellement la meilleure théorie pour expliquer le fonctionnement des particules. C’est un modèle largement accepté parmi les scientifiques. Il existe d’autres théories pour expliquer la matière, mais ces théories décrivent la physique d’une façon très différente et sont plutôt considérées comme des théories au-delà du modèle standard pour en combler les
  9. 9. 8 défauts. C’est pourquoi je vais me concentrer sur le modèle standard. La physique des particules, ainsi que le modèle, comprennent aussi les particules composées, que je vais donc décrire avec ce modèle pour ainsi mettre en contexte le boson de Higgs. Avec les particules élémentaires et composées, je pourrai également décrire la structure de l’atome. Avant d’entamer ce chapitre, notons que ce modèle se base sur les théories de la physique quantique, c’est-à-dire, tout ce qui concerne les particules et les champs à l’échelle microscopique. En effet, la physique quantique, marque une rupture avec la physique « classique », traitant actuellement le monde macroscopique, car elle permet la description du comportement des atomes et autres particules subatomiques. Les différences fondamentales par rapport au domaine classique sont la quantification, la dualité onde-particule et le principe d’incertitude. Il existe bien évidemment d’autres différences, mais je vais me consacrer sur celles-ci pour avoir les bases nécessaires à la compréhension du modèle standard. Je verrai en quoi le monde infiniment petit se comporte très différemment du monde macroscopique. Commençons d’abord avec la quantification. Il s’agit du fait que tout est composé de quanta. Celles-ci sont appelés quantum, au singulier. Ils représentent la plus petite mesure possible d’énergie. Par analogie, ils peuvent être comparés à des grains, que ce soit d’énergie, de masse ou de quantité de mouvement. Un quantum est donc la valeur minimale d’une entité physique, dont la taille varie selon l’énergie, il s’agit donc d’une particule élémentaire. Ensuite, nous allons aborder le principe d’incertitude. Ce principe consiste au fait qu’on ne peut véritablement mesurer la position et la vitesse d’une particule car toute tentative de mesure dérange la particule et la dévie. Cependant, nous pouvons lui donner un état quantique correspondant à l’ensemble des états possibles de la particule. On ne peut donc pas mesurer la position exacte de la particule, mais uniquement sa probabilité de se trouver à un certain endroit sur l’ensemble des possibilités. Enfin, je vais décrire le phénomène de dualité onde- particule. En effet, une énergie telle que la lumière qui est une onde peut être considérée comme un ensemble de particules, parce qu’on divise cette onde en paquets d’énergie, les quanta. Une particule peut agir comme une onde suite à son ensemble de probabilités de positions et d’états. En effet, son ensemble de positions le représente plutôt comme un champ et une onde, et non pas un corpuscule unique Le modèle standard : Le modèle standard fait donc partie du domaine de la physique des particules. Il fut élaboré au XXe siècle, et reste encore incomplet aujourd’hui. Néanmoins, avec la confirmation de l’existence du boson de Higgs, nous nous approchons un peu plus de sa complétion. Il structure la matière par des particules élémentaires et traite l’ensemble de leurs interactions ainsi que trois des quatre forces fondamentales de l’Univers, à savoir la force d’interaction faible, forte et électromagnétique. En effet, la quatrième force fondamentale, la gravitation, n’a pas encore pu être intégrée. Ceci est dû au fait que, même s’il s’agit d’une force fortement présente autour de nous, nous n’avons pas encore réussi à faire correspondre celle-ci du niveau macroscopique à l’échelle microscopique.
  10. 10. 9 Nous pouvons nous poser la question « qu’est-ce qu’une particule élémentaire ? ». En effet nos notions de briques fondamentales changent avec le temps grâce à l’évolution de la science. Si l’on remonte à l’Antiquité, cette notion se rapporterait à l’atome. Puis, cela caractérisait les électrons, neutrons et protons, pour en arriver au quark et autres particules élémentaires actuelles. Nous pouvons donc considérer qu’une particule élémentaire est une entité physique qui ne se compose d’aucune sous-structure, et que cet état varie selon les connaissances. Ce sont donc les briques fondamentales de l’Univers. Maintenant, nous allons voir les différentes particules élémentaires actuelles ainsi que les forces qui les régissent. Toutes les particules connues sont caractérisées par des propriétés, dont leur charge électrique2, qui est à la base de l’électronégativité, leur masse et leur spin. La relation masse-énergie : Célèbre équation met en évidence le rapport entre la masse et énergie. E représente l’énergie (Joules ou eV), m représente la masse (Kg) et c représente la constante de la vitesse de la lumière (à peu près 300 000 Km/s). [3] Voici une formule très célèbre postulée en 1905 par Albert Einstein (1879-1955), physicien allemand de la physique théorique. Je cite cette formule car elle définit une notion indispensable en physique, ainsi que dans le domaine des particules. Avec cette notion, je pourrai convenablement expliquer le comportement des particules lorsqu’elles se désintègrent ou se transforme en d’autres particules. Revenons à l’équation, celle-ci dit que la masse n’est en réalité qu’une forme d’énergie. En effet, cela signifie qu’il y a une relation entre ces deux termes. Si un corps reçoit de l’énergie, alors sa masse peut augmenter et inversement, si un corps en perd, alors sa masse peut diminuer. Cela correspond à l’énergie de masse. Cette loi stipule donc que la masse peut être convertie en énergie et vice-versa. Elles sont donc équivalentes. De plus, l’équation montre que l’énergie de masse d’un corps (E) est composée de masse de repos (la masse) et de la vitesse/mouvement du corps, donc l’énergie cinétique. Notons que cette énergie de masse se conserve toujours pour un corps considéré, mais elle peut être convertie sous d’autres formes d’énergie, comme on le voit avec l’équation. La masse d’une particule se mesure en électronvolt (eV), qui est une unité de mesure d’énergie. Un électron volt est l’énergie acquise par un électron lorsqu’il est soumis à une différence de potentiel d’un volt. De ce fait, 1 eV = 1,6.10−19 J (valeur arrondie). Lorsqu’on parle de masse de particules, vu que les taux d’énergie-masse sont beaucoup plus grands, 2 : Une charge d’une particule est sa valeur enénergie électromagnétique. Sa charge peut être soit neutre, soit positive ou négative. Deux particules de même charge se repoussent, elless’attirent si elles sont de charge opposée. Lorsqu’il s’agit de particules neutres, il n’ya pas de courant électrique. On parle alors de courant neutre. Cette charge est engendrée par le photon, je l’expliquerai plus tard.
  11. 11. 10 j’utiliserai plutôt les unités keV, MeV et GeV, correspondant respectivement à mille, un million et un milliard d’eV. En fait, la vraie unité est eV/𝑐2 , mais par convenance, les physiciens omettent d’ajouter la constante de la vitesse de la lumière, en la valorisant par 1. Ceci permet de voir que, suivant la formule, à l’échelle microscopique, masse et énergie désignent la même chose. Il faut tenir compte que cette simplification n’est pas tout à fait vraie. En réalité, la masse vaut l’énergie de repos. Ainsi, en tenant compte de la constante et suivant la formule, on voit que la masse d’une particule renferme énormément d’énergie, d’où le principe de bombes nucléaires. Donc, si je dis par exemple que la masse d’une particule est de 100 MeV, il s’agit en réalité de 100 MeV/𝑐2 de masse et donc d’une énergie renfermée bien plus grande (car multiplié par la vitesse de la lumière). Dès lors, si je parle d’énergie en eV, il s’agit en réalité de l’énergie de repos, équivalente à la masse. Ce sont donc deux notions différentes pour en expliquer une seule. Le spin : Spin : Spin ½ : Concrétisation de la propriété « spin » d’une particule, en particulier les spins 0, 1, 2 et 1/2. Explications dans le texte ci- dessous. Pour la seconde image, les flèches noires et vertes représentent la rotation tandis que la bleue représente le mouvement de la particule. [4], [5] Le spin est la propriété quantique propre d’une particule caractérisant sa nature. Il s’agit du moment cinétique de la particule. « Une façon de se représenter ce spin est d’imaginer les particules comme des petites toupies tournant autour d’un axe. »[b]. En effet, les particules n’ont pas d’axe bien défini, selon la mécanique quantique. En effet, dépendant de la direction dans laquelle on observe la particule, celle-ci prend des aspects différents. Il y a plusieurs sortes de spin, tels que les entiers (0, 1 et 2,…), et les demi-entiers (1/2,…). J’ai fourni une image avec quelques illustrations pour visualiser les différents spins. Pour le spin 0, la particule prend l’aspect d’un point, donnant le même aspect dans toutes directions. En ce qui concerne une particule de spin 1, nous pouvons la comparer à l’image de l’as de pique, si nous la regardons de différentes positions, elle aura une apparence différente. Mais, par rapport à une certaine direction prise au hasard, si la particule effectue un tour entier de 360°, alors, tout comme la carte, elle reprendra le même aspect. Il en va de même pour le spin 2 que nous
  12. 12. 11 comparons avec la dame de cœur. Dans ce cas, il faudra un demi-tour pour que la particule retrouve le même aspect. Et ainsi de suite, quand que le spin augmente, la rotation nécessaire sera plus petite. Enfin, si nous prenons une particule de spin ½, la particule ne retrouvera le même aspect qu’après deux tours complets (voir seconde image). Le spin joue un rôle important dans des domaines tels que le magnétisme, la polarisation de la lumière et l’organisation des particules. Structure du modèle : Schéma simplifié du modèle standard, représentant les particules élémentaires avec leurs propriétés et rôles, ainsi que les constituants de l’atome. [6] Comme nous pouvons voir sur le schéma, le modèle comprend un bon nombre de particules, nous les décririons en commençant donc du plus petit avec les particules élémentaires pour en arriver à la structure de l’atome et de la matière. Le modèle standard se divise donc en deux familles, les bosons et les fermions. Les fermions sont les particules qui constituent la matière et les bosons, appelés particules supports-de-force, sont responsables des forces fondamentales responsables des interactions des particules. Les fermions sont caractérisés par les spins demi-entiers (principalement ½), et les bosons correspondent aux spins 0, 1 et 2. Le modèle standard comporte 19 particules, dont 12 fermions et 7 bosons (dont un boson encore hypothétique). Nous allons maintenant parcourir les différents fermions avant de nous occuper de la famille des bosons.
  13. 13. 12 Les fermions : Les fermions se divisent également en deux familles : les leptons et les quarks. Il y a douze « saveurs » (particules de matière) en tout dont six leptons et six quarks. Dans chacun de ces deux groupes, les particules se regroupent par paires. Ces couples constituent des générations, il y en a trois au total. Toute la matière que nous pouvons observer aujourd’hui est composée de particules de première génération, car celles-ci sont plus légères et plus stables. Les deux autres générations se comportent de particules plus lourdes et instables. Sans intervention humaine, et à l’exception des rayons cosmiques (flux d’énergie et d’atomes provenant d’étoiles), nous n’avons pas trouvé de particules de deuxième et troisième génération puisqu’elles se désintègrent rapidement en particules de première génération plus stables. Nous en expliquerons le mécanisme par la suite. Ces grosses particules ont donc une vie très courte, il en va de même pour les autres particules instables. Actuellement, nous ne savons pas pourquoi ces deux autres générations existent ou pourquoi il n’en existe pas d’autres supplémentaires. De ce fait, nous ne ferons qu’énoncer ces grosses entités. Rappelons que pour toutes ces particules de matière, il existe une antiparticule qui y correspond, comme nous l’avons vu dans le chapitre parlant du Big Bang. Une antiparticule ne diffère de la particule que par sa charge. Pour l’instant, aucune antiparticule n’a été détectée à l’état naturel. Il en va de même pour les bosons, mais pour ceux-ci, les particules et antiparticules sont identiques. Par exemple, l’antiparticule du photon est donc le photon lui- même. Nous allons maintenant décrire les différents leptons et quarks. Les leptons peuvent se déplacer indépendamment les uns des autres et se composent de trois particules chargées telles que l’électron (𝑒− ) et ses « cousins » des autres générations, le muon (µ− ) de 2e génération et le tau (𝜏− ) de 3e génération. Ceux-ci sont obtenus grâce aux accélérateurs de particules ou trouvés dans les rayons cosmiques. Chacune de ces particules est associée dans sa génération à un neutrino, particule très légère, discrète et neutre. Le neutrino le plus stable est le neutrino électronique (νe), suivi du neutrino muonique (νµ), puis du neutrino tauonique (ντ). Le neutrino est présent abondamment dans l’Univers, seulement vu sa taille et masse très faible, voire nulle, il est très difficile à détecter. Il interagit très peu avec la matière et est retrouvé au niveau des rayons cosmiques. L’électron est une des particules, avec le proton et le neutron, qui structure l’atome. Sa masse est de 511keV, c’est une particule chargée négativement (-1,6.10−19 C). Il joue un rôle fondamental dans les liaisons chimiques entre atomes et est responsable de l’électricité. Les quarks, eux ne peuvent être séparés et donc observés individuellement. En effet, ceux-ci sont confinés par une propriété de force que nous décrirons dans la partie consacrée aux bosons. Ils sont donc observés en tant que particules composées et non directement. Les quarks interagissent de deux manières, dont chacune appartient à une famille de trois générations. Il y a donc le quark up (u) et le quark down (d) qui composent la première génération. Les deux autres paires moins stables sont les quarks charm (c) et strange (s), ainsi que les quarks top (t) et bottom (b). La charge d’un quark est fractionnaire, 2/3 pour le quark u et -1/3 pour le quark d. Ces particules sont les plus petites de toutes en taille et en masse. Ils
  14. 14. 13 forment entre autres les protons et neutrons. La masse du quark up est de 2,3 MeV, et celle du down est de 4,1-5,7 MeV. Ceci est très léger en comparaison à d’autres particules telles que le boson de Higgs, ayant une masse de 125 GeV. Les bosons : Les bosons sont donc les particules de force permettant l’interaction entre particules de matière. En effet, elles permettent les échanges entre particule de matière et particules de rayonnement. La figure ci-dessous permet de comprendre leur mécanisme : Schéma illustrant le fonctionnement d’un boson à notre échelle, comparable avec la deuxième illustration représentant le phénomène à échelle microscopique. [7] La première image montre, par le principe action-réaction, deux bateaux qui s’éloignent suite à l’échange d’un ballon. Ce ballon est comme un intermédiaire à l’interaction entre les deux bateaux, il est appelé « vecteur d’interaction ». Ceci est une analogie pour représenter le fonctionnement d’un boson, que nous pouvons voir avec la deuxième image. En effet, les flèches rouges et bleues représentent des particules déviées par un boson, en couleur mauve. Un boson permet donc de transmettre les forces entre particules. L’univers est composé de quatre forces fondamentales véhiculées par les bosons : la force forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle. Ces forces caractérisent toutes les interactions (attraction, répulsion, désintégration,…) des particules et donc de l’univers. Ces forces ont différentes portées, elle est infinie pour la force gravitationnelle et électromagnétique, mais très petite pour la force forte et faible, elle n’exerce aucune influence au-delà du noyau atomique (donc une portée de 10−15 𝑚). C’est pourquoi ces deux dernières n’interviennent que dans le monde microscopique. Même si une force a une portée infinie, sa puissance et son influence diminue avec la distance. La force forte est la plus puissante, suivie de la force électromagnétique, puis de la force faible et de la gravitation.
  15. 15. 14 La force d’interaction forte est véhiculée par une particule nommée gluon (g), de masse nulle et électriquement neutre. Elle influence et agit sur les quarks. Elle est extrêmement puissante, mais n’agit qu’à très courte portée. Elle permet de les maintenir ensemble, ce qui permet aussi de maintenir la cohésion du noyau atomique. En effet cette force compense la répulsion entre les protons suite à leur charge et les lie entre eux et aux neutrons. C’est cette force qui confine les quarks suite à la charge de couleur (il ne s’agit pas vraiment de couleurs, mais d’une convention pour expliquer ce phénomène). En effet chaque quark possède une charge représentée par une couleur comprenant le bleu, rouge et vert. Il y a donc trois charges, elles ne sont pas propres aux quarks, mais dues aux interactions avec les gluons. Les quarks s’échangent continuellement des gluons et changent donc de charge. La force fonctionne de sorte que les trois charges différentes s’assemblent pour devenir neutre. En termes de couleurs, c’est comme l’assemblement des couleurs qui donnent du blanc, les autres couleurs ne peuvent exister toutes seules. En effet, la force issue de ces charges est trop grande, raison pour laquelle on ne peut observer un quark individuellement, sauf dans des conditions spéciales. En effet, la force engendrée par les gluons est très puissante. Il en va de même pour les gluons, qui portent la charge « couleur », il y a donc plusieurs gluons différents. Cet ensemble neutre forme une particule composée dont les protons et neutrons. La charge de couleur ne va donc pas au-delà des quarks et gluons. De plus, le champ d’action de la force est d’autant plus fort, si les quarks s’éloignent entre eux. Mais la force issue des quarks est tellement grande que les différents protons s’attirent, malgré la répulsion de leur charge électrique. De plus, les quarks peuvent exister par paires quark-antiquark, la charge est annulée par une couleur et son anti couleur. Chaque charge possède donc son anti charge. Ensuite, il y a la force d’interaction faible, responsable de la dégradation de particules élémentaires lourdes en particule plus stables. Par exemple, la dégradation d’un muon en un électron. Il s’agit de la désintégration radioactive de ces particules. Elle est la seule force qui affecte également les neutrinos. Elle permet donc certaines formes de radioactivité et de réactions nucléaires. Elle est véhiculée par les bosons de jauge W et Z, dont le premier est chargé soit positivement, soit négativement et dont le second est neutre. Ces particules sont très lourdes, pesant de 80 à 90 GeV. Cette force permet aussi l’échange de masse, charge et énergie entre particules. Puis, il y a la force électromagnétique, qui est responsable de l’attraction et répulsion entre particules chargées électriquement. Cette force à peu d’effet à grande échelle vu que les atomes sont neutres. Elle est responsable de tous les phénomènes magnétiques et électriques, elle joue aussi un rôle important dans la chimie avec la liaison électronique. La force est véhiculée par le photon (λ), ayant une masse nulle et capable de se déplacer à 300 000 km/s. celui-ci est neutre. L’ensemble des photons à des niveaux différents d’énergie constituent le spectre électromagnétique de la lumière visible, les micro-ondes, les infra-rouges, les rayons X,… L’absorption et l’émission de photons suite aux échange entre fermions est l’origine de la lumière que nous percevons à notre échelle. Notons que les scientifiques combinent cette force avec la force faible, donnant la force électrofaible. Celle-ci peut donc être expliquée par une théorie commune. Ceci dû aux points communs entre les deux forces. En effet, les deux
  16. 16. 15 forces sont responsables des interactions entre particules, mais à des échelles différentes. De ce fait le photon et les bosons Z et W constituent les bosons de la force électrofaible. Finalement, il y a la gravitation, responsable de l’attraction entre les corps massiques. Cette force suscite des problèmes car nous n’arrivons pas à intégrer la gravitation de notre échelle à l’échelle microscopique. Ceci est en partie dû au fait que cette force est extrêmement faible. La particule prédite pour véhiculer celle-ci est le graviton (G). Cette force n’est perceptible qu’à notre échelle où les corps possèdent une masse suffisante. La masse est donc un facteur important de celle-ci. Notons que cette force ne fait pas partie du modèle standard. Cependant, le modèle standard n’explique pas pourquoi certaines particules ont une masse. Les scientifiques ont donc prédit une particule expliquant ce phénomène, il s’agit du boson de Higgs. Il existe sous forme de champ que je définirai dans le chapitre dédié à celui-ci. Il donne de la masse aux particules. L’existence de cette particule a longtemps été non confirmée, il était considéré comme le boson manquant du modèle qui le séparait de sa complétion presque entière et ce n’est que récemment qu’elle fut découverte, comme nous le verrons au chapitre suivant. Les hadrons : Les hadrons sont des particules composées, ils sont constitués de quarks. Ce sont donc des particules soumises à la force forte. Ils sont principalement regroupés en deux familles : les baryons et les mésons. Il existe d’autres familles mais leur existence est théorique. En effet, il existe encore bien d’autres particules, mais nous allons nous consacrer aux plus importantes. Les baryons : Commençons par les baryons, ceux-ci sont des particules lourdes composées de trois quarks. Les plus connus sont les nucléons, les baryons les plus légers. Les nucléons sont donc le proton (𝑝+ ) et le neutron (𝑛0 ). Les baryons sont toutes les particules ayant une masse égale ou supérieure à celle des nucléons. Ce sont des fermions composés. Une grosse partie de la matière que nous connaissons est composée de protons et de neutrons, on appelle cela la matière baryonique, dont le principal représentant est donc l’atome. Même si l’électron est un lepton, on l’inclut implicitement. Les protons et neutrons sont donc composés de trois quarks chacun et ceux-ci à partir du quark u et d. Le neutron est composé de deux quarks down et un quark up tandis que le proton est composé de deux quarks up et un quark down. Ces deux baryons sont les constituants du noyau de l’atome. Le nombre de protons d’un atome détermine sa nature, donc s’il s’agit par exemple de carbone (six protons) ou d’hydrogène (un proton). Il y a une grande variété d’atome. Le neutron permet la cohésion du noyau en compensant pour la répulsion entre protons dans le noyau. La masse du proton est de 938 MeV, celle du neutron est de 939 MeV. L’atome est donc composé d’un noyau de protons et neutrons avec des électrons qui orbitent autour, suite à l’attraction électrique vers les protons. Par rapport à l’atome entier (10−10 m), le noyau a une taille très petite (10−15 m). Les atomes se lient entre eux par des liaisons chimiques, dont l’électron en assure le fonctionnement. Les atomes se lient entre eux pour
  17. 17. 16 former des molécules en très grande variété, dépendant de la nature de l’atome. Par exemple, deux atomes d’oxygène s’associent pour obtenir du dioxygène (ce qu’on appelle l’oxygène qu’on respire,𝑂2). La matière que nous observons à notre échelle est constituée de nombreuses molécules liées entre elles. Voici un schéma représentant un atome ainsi qu’une molécule d’eau formée d’un atome d’oxygène et de deux atome d’hydrogène (𝐻2 𝑂). L’atome en question est formé de quatre neutrons (bleu), trois neutrons (rouge) et trois électrons (noir), formant ainsi le lithium. Atome : molécule : Modèle quantique de l’atome de lithium, ainsi que le modèle d’une seule molécule d’eau (𝐻2 𝑂). Celle-ci se compose d’un atome d’oxygène lié à deux atomes d’hydrogène. [8], [9] Revenons aux autres baryons. Les baryons sont aussi formés par une association de quark- antiquark, mais ceux- ci ont de ce fait une durée de vie très courte et sont instables. Il y a donc différents types de baryons, et donc de nombreuse autres particules que le proton et neutron, telles que la particule lambda, sigma, oméga,… Les mésons : Les mésons sont composés d’un quark et un antiquark. Les mésons sont des bosons composés, qui assurent le rôle de boson entre particules composées. Par exemple la force forte entre protons et neutrons est assurée par la particule pion, composée d’un quark up et d’un antiquark down qui sont liés par le gluon. Le pion fonctionne donc comme un gluon à plus grande échelle. Cependant, tous les mésons n’ont pas un rôle actuel. En effet, les plus lourds auraient été créés lors du Big Bang et y auraient joué un rôle durant le début de l’Univers. Parmi les mésons, il y a également le rho, le pi, le êta,… Défauts du modèle standard : Malgré la structuration des particules en fermions et bosons, le modèle standard ne répond pas à toutes les questions telles que la raison de l’existence de trois générations (voir plus) de particules pour les quarks et leptons. Le modèle ne prouve pas que les quarks soient élémentaires. Il y a également le problème de la gravitation. De plus, il y a le problème de la matière et énergie noire qui n’est toujours pas expliqué. Dernièrement, il y a le problème des paramètres libres. Il s’agit de constantes physiques obtenues non théoriquement, mais expérimentalement, ce sont donc des valeurs mesurées et non calculées. De ce fait, il y a un manque de précision, ce qui peut mener vers des conclusions très différentes. Mais de nombreuses théories physiques utilisent ces paramètres. Le problème du modèle standard est qu’il en comporte dix-neuf, ce qui parait assez excessif pour certains. Il reste encore d’autres défauts, mais jusqu’à présent, le modèle standard est la théorie la mieux acceptée et la meilleure pour décrire l’Univers.
  18. 18. 17 Le boson de Higgs : Symbole du boson de Higgs, particule à charge nulle. Elle est donc neutre. [10] A présent, j’ai donné les bases nécessaires à la compréhension de la matière. Maintenant, entrons dans le vif du sujet, c’est-à-dire le fameux boson de Higgs. Je vais d’abord décrire ce qui a permis de prédire cette particule ainsi que l’histoire de sa découverte. Par la suite je décrirai la particule ainsi que comment elle fut confirmée expérimentalement. Enfin, je parlerai de ce que tout cela nous apportera à l’avenir. Le boson de Higgs est donc un boson, qui est à l’origine de la masse de certaines autres particules. En effet, les physiciens ont remarqué que suite à des mécanismes complexes, la plupart des particules ne peuvent avoir une masse qui leur est propre. Ce boson fut longtemps prédit par le modèle standard, et ce n’est que récemment qu’il fut produit expérimentalement, complétant le modèle presque entièrement. Il était donc très attendu par les physiciens. Carte d’identité : Un peu d’histoire : Comme je l’ai expliqué, les physiciens ont remarqué que deux des forces fondamentales avaient des similarités dans leur mécanisme, effets, fonctions,... En effet, l’électromagnétisme et la force d’interaction faible sont regroupés en une seule force appelée force électrofaible. Cette force est donc responsable de tout phénomène lumineux, électrique, magnétique, échanges entre particules, etc… Elle a aussi permis la découverte de courants neutres. Ceci fut constaté aux alentours de 1960. Le modèle standard en explique correctement le mécanisme, divisant cette force en deux interactions différentes suite à la brisure de symétrie que nous décrirons plus tard. Cependant, il y avait un problème, le modèle prévoyait que ces particules n’auraient pas de masse. Ce qui est correct pour le photon, mais en revanche, les bosons Z et W en ont une, assez grande d’ailleurs. Ce sont même ces deux particules responsables des échanges entre particule dont la masse. C’est donc pourquoi l’existence du boson de Higgs fut postulée, comme particule existant sous forme de champ donnant une masse à ces deux autres bosons. Il explique aussi pourquoi la matière (fermions et quarks) a également une masse.
  19. 19. 18 Notons que le boson de Higgs n’existe pas à l’état naturel sous forme de particule, mais sous forme de champ invisible appelé champ de Higgs. Celui-ci est partout dans l’univers. En effet, son état de particule n’existe que quand il est produit expérimentalement et n’a de plus qu’une très courte durée de vie. Ceci est dû au fait que le boson de Higgs est très massif (relativement à son échelle). Il a une masse avoisinant 125 GeV. Il est instable sous forme de particule, vu la grande quantité d’énergie qu’il contient. Nous expliquerons le mécanisme de ce champ plus tard. L’existence de cette particule fut prédite par plusieurs théoriciens, dont principalement, Robert Brout, François Englert et Peter Higgs. C’est pourquoi on nomme aussi la particule boson BEH. Un autre nom attribué à la particule est « particule de Dieu », mais ce nom est désapprouvé par les physiciens et est assez trompeur. Je vais brièvement parler de ces trois physiciens qui ont élaboré la théorie pour expliquer le boson de Higgs. Il s’agit du mécanisme BEHHGK (dont Brout-Englert-Higgs-…), postulé en 1964 par plusieurs articles publiés par ces physiciens. Nous reparlerons de ce mécanisme plus tard. Les principaux physiciens responsables de cette théorie sont Robert Brout (1928-2011), physicien belge et professeur à l’université libre de Bruxelles, il étudiait la physique théorique. Il y a également François Englert (né en 1932), également un physicien théorique de particules belge ayant fait ses études à l’ULB, il était en collaboration avec Brout. Il fut le premier à prédire le mécanisme du boson de Higgs, il fut également professeur à l’ULB, et s’exerce actuellement en tant que professeur à l’université de Chapman dans l’institut des recherches quantiques. Leur recherche et contribution sur le sujet à mener vers plusieurs prix scientifiques. Ensuite, il y a Peter Higgs, physicien théorique anglais et professeur à l’université d’Edinburgh. C’est à lui que le nom de la particule est donc attribué. Peter Higgs (né le 29 mai 1929 au Royaume-Uni) posant devant l’équation du mécanisme de Higgs. [11] Il a donc contribué indépendamment avec Brout et Englert sur le mécanisme. Il a étudié au King’s college à Londres Il a une carrière assez fructueuse allant de travaux de recherche à de nombreux instituts jusqu’à de nombreux prix pour toutes ses contributions. Il a également publié de nombreux articles scientifiques. Il est aussi connu pour des publications sur la
  20. 20. 19 brisure de symétrie en 1960, que nous expliquerons avec le mécanisme de Higgs. Son travail c’est surtout basé sur les connaissances de brisure de symétrie et de la force électrofaible de l’époque. De là, la prédiction de cette particule était acceptée en général comme une des théories expliquant la masse. Les caractéristiques de cette particule théorique étaient mises en place. Il faisait partie du modèle standard. Il aura fallu 50 ans pour confirmer ce boson. Pour confirmer ce champ et son mécanisme, il fallait produire la particule elle-même, le champ étant invisible et la particule étant une manifestation de ce champ. En effet, la recherche de cette particule a débuté dans les années 80. La stratégie de recherche de cette particule s’est déroulée par la mise en écart de masses possibles de la particule, en commençant par les plus petites. Les physiciens ont commencé avec les expériences NA31 effectuées dans l’installation du CERN, un centre européen situé sur la frontière franco-suisse à Genève qui est dédié à la physique des particules. Des centres pareils sont surtout reconnus pour leur accélérateur de particules, de grands tubes parfois circulaires ou linéaires accélérant les particules pour les faire entrer en collision avec une cible ou autres particules. Ces collisions ont des effets tels que la formation d’autres particules que les physiciens recherchent. Des détecteurs enregistrent les évènements et les analyses de résultats se font par la suite. Plus une particule recherchée est massive, plus il faut que l’accélérateur soit puissant. En effet, produire des particules avec ces engins demande énormément d’énergie. Il existe plusieurs types d’accélérateurs ainsi que des fonctions et capacités différentes pour ceux-ci. J’irai plus en détails pour tout cela dans le chapitre du CERN et de l’expérimentation et découverte du boson de Higgs avec le LHC, accélérateur actuel de ce centre. Revenons aux expériences NA31, celle-ci se basaient sur la désintégration de mésons. On espérait y trouver les premières traces de ce boson. Mais, les résultats ne donnèrent aucune preuve. On pouvait dès lors écarter un boson de Higgs de masse faible. Par la suite, en 1983, un autre accélérateur plus puissant fut construit au CERN, le LEP (large electron-positron collider). Celui-ci permis la confirmation des bosons Z et W. Cependant, celui-ci ne permis pas la découverte du boson de Higgs, suite à un manque de puissance. On pouvait en déduire que cette particule était très massive. Le LEP a permis d’établir une masse minimum, 114 GeV. En Amérique, on utilisât le Tevatron, accélérateur situé au Fermilab à Chicago. Il fût mis en place en 1987 et effectuait la collision protons-antiprotons. On y essaya de produire le boson de Higgs, sans succès. L’accélérateur fut récemment fermé pour de bon. Cependant, il a permis d’éliminer les possibilités de masse entre 100 et 108 GeV et entre 156 et 177 GeV. Avec d’autres expériences encore, on a déduit que son existence était cependant de plus en plus probable. Il fallait donc un accélérateur plus puissant, le CERN a donc succéder le LEP avec le LHC. Grâce à la puissance et deux années d’expérience avec celui-ci, une particule compatible avec le boson de Higgs fut enfin produite le 4 juillet 2012 avec une masse de 125 GeV. La confirmation de l’expérience et de la production de la particule s’est faite le 14 mars 2013. J’irai plus en détails au chapitre du CERN.
  21. 21. 20 Description de la particule et de son mécanisme : Le boson de Higgs est donc un boson fonctionnant en tant qu’un champ invisible et présent en tout point de l’Univers, conférant la masse aux bosons Z et W, aux fermions et aucune masse aux photons. Il possède une masse de 125 GeV et a un spin nul et est électriquement neutre. C’est la première particule d’un tel spin qu’on a trouvé à l’état naturel. Suite à son spin, c’est un boson scalaire, contrairement aux autres bosons, qui sont des bosons vecteurs (spin 1). Les bosons vecteurs, constituants des champs vecteurs sont appelés ainsi car ils peuvent être comparés à des flèches, ayant une direction, sens, vitesse et intensité. Un boson scalaire a donc une valeur qui dépend d’un champ scalaire gradué par échelons, dans ce cas en trois dimensions. De ce fait, dépendant de la position sur le champ scalaire, les valeurs sont différentes. Le champ peut être nul ou très intense dépendant par exemple de l’énergie du milieu. Pour concrétiser ceci, un champ scalaire fonctionnerait comme une carte météo, où les températures sont représentées par un dégradé de couleurs. La différence est que le champ scalaire existe en trois dimensions. Celui du boson de Higgs aurait la forme d’un chapeau mexicain. Cette force n’a donc aucune direction et de sens. Tout comme les autres bosons, il est appelé boson de jauge. Pour expliquer ceci, je vais commencer avec la théorie quantique des champs. En quelques mots, c’est un cadre théorique permettant l’explication de modèles quantiques, tel que le modèle standard. Il explique le fonctionnement de système à grande liberté. En effet, ces systèmes comportent de nombreuses particules en mouvement. Cette théorie considère ces systèmes comme des champs quantiques, ou les particules représentent des « excitations » sur ces champs, formant des corpuscules. Ces excitations peuvent être représentées par des ondulations d’énergie sur le champ. On peut comparer ces champs quantiques à un lac. A la base, ce lac existe sans aucune perturbation extérieure, ceci représente le champ. Lorsque l’on lance une pierre dans le lac, cela forme des ondes sur la surface, ce qui représente les excitations du champ, correspondant à des quanta d’énergie, les particules. La pierre lancée représente l’excitation du champ, les ondes du lac représentent les zones excitées, donc les particules. Cette notion de champ est due au fait que la théorie se base sur la conservation de symétrie en tout point de l’Univers, sauf dans le cas où elles sont brisées, notamment par le boson de Higgs. Une symétrie est une invariance d’un système physique3 selon une propriété considérée, c’est- à-dire, un aspect considéré du système, tel que les lois physiques ou l’énergie, est préservé malgré certains changements tels que la position ou la vitesse. Cela permet pour la théorie de considérer que les équations mathématiques qui traduisent les lois et phénomènes physiques demeurent inchangées malgré un changement de vitesse, position,… On symétrise donc les équations en rendant leur structure générale invariable. Cela permet de généraliser des lois physiques valables en tout lieu de l’Univers. Ces équations sont donc simplifiées. Les changements variables tels que la vitesse sont appelés variation de jauge locale, où « jauge » est une certaine mesure et « locale » désigne la symétrie locale. Cette dernière est caractérisée 3 Un corps,milieu considéré,décritpar des règles,et dont on ne prend pas compte de l’extérieur de ce système.
  22. 22. 21 par un changement qui dépend de la position espace-temps4. Dans un système de particules, si on déplace une des particules, pour que le système demeure donc symétrique, il y a compensation de cette transformation par la création d’une interaction entre particules, un boson. On les nomme donc bosons de jauge. Ainsi, le système et les structures générales des équations restent identiques, malgré le changement. Un exemple de symétrie est la réflexion dans le miroir, en effet, la réflexion d’un objet par un miroir demeure inchangée et garde la même apparence que l’objet. Malgré le changement (la réflexion), l’apparence reste identique. Le rôle que tient le champ de Higgs consiste à briser une symétrie pour donner de la masse aux bosons Z et W, aux quarks et leptons. Ce dernier est un phénomène où les symétries sont ignorées, non respectées. C’est-à-dire que la symétrie n’est plus constante et change. Par exemple, considérons la symétrie matière-antimatière. Comme je l’ai déjà précisé, au moment du Big Bang, la quantité matière-antimatière était équivalente. On peut caractériser cela comme une symétrie. Or, tout ce qui nous entoure est composé de matière. De ce fait, il devait y avoir un léger avantage pour la matière lors du Big Bang, où matière et antimatière se sont annihilées. La matière que nous observons aujourd’hui est le faible avantage qu’il y avait sur l’antimatière avant l’annihilation. Cet avantage est une brisure de symétrie. La symétrie brisée par le champ de Higgs est la symétrie électrofaible. Ceci est expliqué par le mécanisme de Higgs (mécanisme BEHHGK), disant également que le boson de Higgs agit sous forme de champ. Le champ de Higgs brise la symétrie de l’interaction électrofaible pour la décomposer en deux autres interactions, l’électromagnétisme et la force faible. En effet, le champ de Higgs permet de séparer cette force unifiée en deux forces différentes. Il y a donc brisure de la symétrie entre force faible et E-M. Au départ, la force électrofaible n’interagit pas avec le champ de Higgs. Suite à la brisure, la force E-M reste identique, le photon n’interagit donc toujours pas avec le champ. Tandis que celle de la force faible est brisée et changée. Ce qui permet aux bosons Z et W d’interagir avec le champ. Ceci est appelé brisure spontanée de symétrie, car elle ne dépend pas de l’énergie du milieu. Il faut savoir qu’une grande partie de la masse que nous observons à notre échelle n’est pas une conséquence de l’interaction avec le champ de Higgs. Celui-ci ne confère que de la masse à certaines particules que j’ai citées. Une grande partie de la masse est en réalité issue de la force forte entre quarks. La masse n’est donc pas une propriété propre pour les particules, mais une certaine intensité de leur interaction avec le champ de Higgs ou conséquence de la force forte. La masse du boson de Higgs lui est propre. 4 La position par rapportà l’espaceet au temps dans l’Univers.En effet, le temps est une dimension.Pour démontrer ceci,voir image [1].
  23. 23. 22 J’ai énoncé que ce boson agit sous forme de champs. En comparaison avec l’analogie du lac pour les champs quantiques, la particule elle-même est la manifestation de ce champ, mais à une durée de vie très courte suite à son instabilité. La particule représente une manifestation issue de l’excitation du champ. On considère donc le tout comme un champ. Revenons à la brisure de symétrie, ce boson sépare donc ces deux forces par un mécanisme complexe dont je ne vais pas en expliquer le fonctionnement, celui-ci consiste à un développent mathématique pas nécessaire au développement. Je vais cependant parler de son rôle. Donc, par la suite les particules porteuses de ces forces ainsi que des fermions vont interagir avec le champ de Higgs. Je vais l’illustrer ci-dessous. Représentation analogique du champ de Higgs. [12] Champ de Higgs, explication ci-dessous. [13] Je commence donc avec la première image. Par analogie, comparons une particule avec une star, et le champ de Higgs par des personnes ordinaires dans une salle. Lorsque la star entre dans cette salle, elle attirera l’attention des personnes ordinaires qui vont se ruer autour d’elle. Le boson de Higgs, est la manifestation de cette action, c’est-à-dire, la vague de personnes se ruant vers la star. Prenons la deuxième image, comme avec le phénomène de la star, une particule entre dans le champ de Higgs, elle est encore dépourvue de masse, celle-ci va interagir avec le champ. En effet, le champ va se concentrer et entourer la particule, cette concentration est représentée sur l’image par les corpuscules qui se serrent autour de la particule. Cette concentration d’énergie couplée à la particule constitue la masse attribuée à celle-ci. Plus une particule interagit avec le champ, plus la particule acquiert de la masse. On ne sait pas encore expliquer pourquoi certaines particules agissent plus ou moins avec le champ. Peut-être que la découverte de ce boson nous l’expliquera. Donc, si le photon a une masse nulle, c’est parce qu’il n’interagit pas avec ce champ, permettant à l’électromagnétisme d’avoir une portée infinie. Par contre, les bosons Z et W agissent bien avec ce champ, leur conférant une masse, il en va de même pour les fermions. Mais si cette masse donnée ne constitue qu’une faible portion de la masse totale, à quoi sert-elle ? Résumons d’abord, comme je l’ai déjà précisé, à la base, force faible et EM (électromagnétique), sont similaires. Ce n’est qu’avec le mécanisme de Higgs qu’il y a séparation et distinction entre ces deux forces. Par la suite, la force EM n’étant pas affectée par le champ, est véhiculée par le photon et a une portée infinie. Par contre, les bosons Z et W interagissent avec le champ et ont une masse caractérisant en partie la force faible, ses effets et sa portée extrêmement courte, n’allant pas au-delà du noyau atomique. C’est ce qui permet les échanges d’énergie, charge électrique et masse entre particules seulement à proximité. En effet, le champ de Higgs permet de confiner cette force à très petite échelle.
  24. 24. 23 Ceci est très important, car sinon, les échanges se feraient entre particule partout dans l’espace, ce qui donnerait un Univers chaotique. Donc, en se concentrant autour de ces deux bosons, le champ de Higgs sert donc de bouclier absorbant la portée de la force. Ceci, en freinant et en rendant plus difficile d’accélérer les bosons Z et W. Cela confine la force à portée minuscule, la distance qu’elle peut parcourir est donc très faible. C’est ce qu’on appelle le phénomène de confinement. Un autre exemple de confinement est celui de la force forte. Sauf que dans ce cas, le phénomène est dû à l’attraction puissante entre gluons et quarks au point qu’il ne peut y avoir de « fuite », la force est donc également confinée au noyau atomique. Force EM, à grande portée. Force forte, portée courte, confinement ; force faible, portéecourte, absorption. [14] La particule rouge représente un boson, les traits noirs correspondent à sa portée. En conclusion, l’énergie issue du confinement de la force forte est à l’origine de la masse que nous observons à notre échelle, et le champ de Higgs est à l’origine de la masse assurant le rôle important de confinement de la force faible. Plus une particule interagit avec le champ, plus elle devient massive. Le photon n’interagit pas avec celui-ci, lui permettant de se déplacer à grande vitesse. Quel est l’origine de cette force ? Selon les physiciens, le champ de Higgs était nul juste après le Big Bang. Mais suite au refroidissement de l’Univers, la température a atteint une valeur où ce champ put spontanément se développer. Dès lors, toutes particules pouvant interagir avec ce champ acquirent une masse. A l’état naturel, le boson de Higgs n’existe plus depuis longtemps. En effet, celui-ci est instable suite à sa grande masse. Il aurait cependant pu exister lorsque l’Univers était encore jeune, et où les températures étaient fortement élevées. La découverte du boson de Higgs a permis de pratiquement confirmer la théorie du modèle standard, comme base de description des particules et de leurs interactions. En effet, il était le gros élément manquant du modèle. Cette particule découverte récemment au CERN est donc en accord avec les prédictions des physiciens. Le boson de Higgs ainsi énoncé, voici un schéma simplifié de l’ensemble des interactions des particules du modèle standard.
  25. 25. 24 Schéma simplifié des interactions entre particules élémentaires du modèle standard. Les lignes bleues représentent les interactions entre bosons et fermions. [15] Comment fut-il obtenu ? Je vais maintenant parler de la découverte expérimentale du boson de Higgs. En effet, après 50 ans de recherche et de tentatives, la fameuse particule fut enfin produite dans l’accélérateur de particule du CERN, le grand collisionneur d’hadrons (Large hadron collider, en anglais), aussi appelé LHC. Celui-ci est actuellement le plus grand et le plus puissant du monde. Au travers de ce chapitre, je vais parler du CERN, de son rôle et son histoire, je vais parler du LHC et de son fonctionnement, j’expliquerai donc aussi le principe d’un accélérateur de particule en général. Ensuite, je parlerai de l’expérience qui a permis la découverte du boson de Higgs. Tout au long de ce chapitre, on pourra remarquer un travail d’équipe remarquable et surtout une preuve de grand effort et de patience, de la part des physiciens. Le CERN : Logo du CERN, basé sur un de leurs accélérateurs de particules. [16] Son nom signifie organisation européenne pour la recherche nucléaire, celui-ci est une organisation internationale. En effet, il comporte 20 pays membres européens, comprenant à peu près 2400 employés, ceci accompagné de d’une dizaine de milliers de scientifiques et ingénieurs du monde entier qui observent, visitent et donnent un coup de main à l’organisation. En effet, d’autres pays tels que les Etats-Unis ont le statut d’observateur. Ce centre situé sur la frontière franco-suisse à Genève est donc l’un des plus grands et prestigieux laboratoires scientifiques du monde. Il est surtout dédié à la physique des particules. Comme je l’ai déjà précisé, les outils principaux de tels centres sont les accélérateurs de particules et les détecteurs qui enregistrent les résultats de l’accélérateur.
  26. 26. 25 Il fut fondé en 1954, en tant qu’une des premières organisations à échelle continentale. Le nom actuel provient en fait du « conseil européen pour la recherche nucléaire », fondé en 1952 et dont le but était de pouvoir créer cette organisation. Au début, l’objectif principal du centre était d’effectuer des recherches sur le noyau nucléaire, pour mieux le comprendre. Il était donc dédié à la recherche nucléaire. Par la suite, il s’est dirigé vers l’étude des particules et des interactions, ceci demande beaucoup d’énergie pour étudier les particules, d’où la construction d’accélérateurs. De ce fait, le centre est surtout référé en tant que laboratoire européen pour la physique des particules. Il se concentre donc par exemple sur le modèle standard, l’antimatière, il tente d’expliquer la matière noire,… Un aspect important pour l’organisation est le fait que leurs travaux et recherches ont un but purement scientifique et fondamental, comme on peut le voir avec cet extrait de sa Convention constitutive : « L’Organisation assure la collaboration entre les États européens pour les recherches nucléaires de caractère purement scientifique et fondamental, ainsi que pour d'autres recherches en rapport essentiel avec celles-ci. L’Organisation s’abstient de toute activité à fins militaires et les résultats de ses travaux expérimentaux et théoriques sont publiés ou de toute autre façon rendus généralement accessibles. » [l]. Le centre est connu pour un bon nombre d’accomplissements, tel que le boson de Higgs bien sûr, dont la découverte est grâce à la participation de nombreux physiciens de nationalités différentes. Il en va de même pour les autres réalisations, comme la découverte des courants neutres, des bosons Z et W, la première création de l’antiparticule de l’hydrogène,… Le CERN est également à l’origine du World Wide Web, mieux connu sous le nom internet. On peut voir que cette organisation est assez prestigieuse. Ceci est également grâce aux milliers d’ingénieurs travaillant sur le site, poussant les limites de la technologie et de la science. En effet, ils réalisent de véritables prouesses technologiques telles que les accélérateurs et détecteurs. Le CERN n’est pas constitué d’un seul accélérateur, mais plusieurs. En effet, ceux-ci sont assemblés en chaîne pour accélérer les particules de manière croissante. Le premier dans la chaîne accélère un faisceau de particules et l’envoie au second maillon de la chaîne, augmentant encore plus l’accélération. Le dernier de la chaîne est le LHC, le plus puissant de tous. Ceux-ci sont chacun accompagnés de leur propre centre d’expérimentation. Ceci, au cas où on chercherait à effectuer des expériences à basse énergie. En effet, plus un accélérateur est puissant, plus il pourra produire des particules de plus en plus massive. Et donc, si l’on ne recherche pas une particule massive, il ne faut donc pas utiliser un accélérateur puissant. J’expliquerai le fonctionnement de ceux-ci, ainsi que l’importance de la puissance dans le chapitre du LHC. Tout cela est donc dirigé par un centre de contrôle, composé de 39 stations de travails. Le tout accélère les particules à des énergies record de 7 TeV 5 par particule pour provoquer des collisions très énergétiques permettant entre autre de produire d’autres particules. 5 : 1000 GeV = 1 Téra électronvolt.
  27. 27. 26 Cependant, on peut noter qu’à notre échelle, 7 TeV ne représentent pas grand-chose. En effet, un TeV représente l’énergie de mouvement d’un moustique qui vole. Ce qui est impressionnant, est le fait que l’accélérateur concentre une telle énergie dans des espaces des milliards de fois plus petit et dense qu’un moustique pour collisionner et former des particules. A échelle microscopique, cette énergie est donc bien plus impressionnante, accompagné du fait que cela demande énormément de précision. Par exemple, il a comme même fallu un appareil de 27 Km de circonférence pour produire une particule de « seulement » 125 GeV. Parmi ces différents accélérateurs, il y a les accélérateurs linéaires « Linacs », le décélérateur d’antiprotons, l’Anneau d’ions à basse énergie, le LHC,… Certains d’entre eux sont remplacés ou améliorés au cours du temps. Tous ces accélérateurs ont des rôles particuliers, que ce soit pour effectuer des expériences ou servir de support au LHC. Notamment, certains servent à étudier le mécanisme quark-gluon, d’autres étudient la matière noire, et enfin, certains servent à fournir des éléments nécessaires au fonctionnement du LHC. Je me consacrerai au LHC, car celui-ci a permis de produire le boson de Higgs. Avant de se lancer dans le LHC, il faut savoir que celui-ci a remplacé le LEP, grand collisionneur d’électrons-positrons. Celui-ci fut démantelé en 2000 pour être succédé par le LHC, tout comme ce dernier, il avait une grande circonférence de 27 Km, lui donnant une grande puissance. Comme la plupart des accélérateurs, il était construit sous le sol. Ceci suite au fait que cela revient moins cher de creuser des longs tunnels, cela ne gâche pas le paysage et le sol protège des radiations extérieures. Les tunnels du LEP ont servi à la construction du LHC. Le LEP est responsable de la découverte des bosons Z et W et des trois générations de particules pour les leptons et quarks. Il étudiait également la force électrofaible. Comme je l’ai expliqué au chapitre précédent, la raison de sa fermeture est due au fait que les physiciens avaient compris que pour obtenir le boson de Higgs, il fallait un accélérateur beaucoup plus puissant. Les tunnels déjà creusés du LEP étaient un bon point de départ pour le LHC. En effet, même la puissance assez grande du LEP n’était toujours pas suffisante. Cependant, il y a avait comme même des indications montrant une faible chance de découverte du boson de Higgs avec celui-ci, mais ce fut ignoré. Il y a eu d’autres tentatives pour produire le boson dans d’autres grands centres tels que le Fermilab, mais sans succès non plus. Aucun centre et aucun accélérateur n’avaient la puissance nécessaire pour ce boson. De là, le CERN, comprit qu’il fallait quelque chose de plus puissant et se mit une nouvelle fois à l’assaut de cette particule avec la construction du LHC, un grand défi technologique. Ainsi, avec une grande puissance et une pointe technologique, le projet du LHC semblait très prometteur pour l’avenir, ce qui motiva encore plus la construction de celui-ci. Je vais m’y concentrer dans le chapitre suivant.
  28. 28. 27 Le LHC : Avant d’entamer celui-ci, je vais d’abord brièvement expliquer comment fonctionne un accélérateur de particules. Tout d’abord, il faut savoir que l’énergie de collision entre particules correspond à l’énergie de masse, différente de l’énergie-masse que j’ai utilisée jusqu’à présent. Pour expliquer ceci, reprenons la formule d’équivalence énergie-masse, et la masse du proton en tant qu’exemple, Sa masse arrondie est de 938 MeV, il s’agit donc d’énergie de repos. Si on regarde l’équation, pour arriver à l’énergie de masse totale, il faut multiplier la masse par l’énergie cinétique issue de 𝑐2, correspondant à la vitesse de la lumière. Dans le cas d’un accélérateur de particule, on accélère le proton. On multiplie donc sa masse par de l’énergie cinétique, ce qui donne de l’énergie de masse dépendant de la vitesse qui est assez élevée. Dans l’accélérateur, j’expliquerai pourquoi par la suite, on accélère le proton jusqu’à ce qu’on se rapproche le plus possible de la vitesse de la lumière (ne pouvant être atteinte que par une particule de masse nulle tel que le photon). Avec l’accélération, le proton atteint 99,99…% de cette vitesse, donnant 7 TeV d’énergie de masse. Si une particule ayant de la masse ne peut atteindre la vitesse de la lumière, comment obtient-on son énergie de masse totale que représente la formule ? Le manque d’énergie est compensé par une autre énergie cinétique du proton. Pour conclure ce petit développement, il faut retenir que les énergies telles que la collision dans les accélérateurs sont des énergies de masse. Le LHC, accélérateur circulaire, ayant une circonférence de 27 Km. Celui-ci est sous le sol. [17] Le besoin d’utiliser des accélérateurs est venu suite au fait qu’il était difficile d’observer les particules subatomiques autrement. En effet, celles-ci sont plus petites que la longueur d’onde du spectre magnétique de la lumière, ce qui rend leur observation difficile. Pour avoir des données précises, il faut que la longueur d’onde soit plus petite que le corps considéré. Même les microscopes les plus sophistiqués ne peuvent donner une image claire d’un atome. Rappelons que les particules sont également des ondes, dont la longueur est toujours trop grande pour avoir des mesures précises. Il faudrait donc d’une certaine manière, raccourcir cette longueur d’onde de la particule. C’est le principe des accélérateurs de particules. En effet ceux-ci accélèrent des particules, en leur fournissant de l’énergie cinétique. Une des
  29. 29. 28 propriétés des particules est que leur élan et longueur d’onde sont inversement proportionnels. De ce fait, en accélérant la particule, on raccourcit la longueur d’onde. Par la suite, on collisionne la particule avec une cible ou d’autres particules accélérées. Cette collision provoque énormément d’énergie et les particules fusionnées fournissent de l’énergie permettant la formation d’autres particules. Parmi ces dernières, certaines peuvent s’annihiler ou se désintégrer en d’autres particules que les physiciens recherchent. C’est d’ailleurs avec ce principe qu’on a obtenu les premières antiparticules, produites par paires particule- antiparticule. La longueur d’onde des particules obtenue permet la mesure avec précision de la collision. J’expliquerai cet évènement plus en détails avec l’expérience du boson de Higgs. Un accélérateur de particule est donc un long tube formé de nombreux cylindres qui fournit de l’énergie à des particules pour produire des collisions fortement énergétiques. Les particules accélérées varient, mais on retrouve en général des protons et électrons qui sont faciles à obtenir. Les protons, en ionisant6 l’hydrogène abondant dans l’Univers, provenant du Big Bang. Les électrons, en chauffant du métal, ce qui les éjectent. Dans le LHC, on utilise également des ions de plomb. L’accélération des particules est effectuée avec un champ électromagnétique déplacé d’un endroit à l’autre dans l’accélérateur, à l’aide d’aimants placés tout le long de celui-ci. Avec leur charge électrique, les particules dans le tube sont poussés avec et par la force E-M. Il y a plusieurs types d’accélérateurs, tels que les linéaires, les circulaires, appelés synchrotrons, les collisions à cible (solide, liquide ou gazeuse), ou entre particules. La collision entre particules est la plus avantageuse, puisqu’il y a plus d’énergie cinétique en jeu pour former des grosses particules. Cependant, la chance de collision entre particules est très faible, même avec de grandes quantités (une vingtaine de collisions pour 100 milliards de particules). En effet pour les collisions, on injecte des faisceaux (paquets) de particules en sens opposés pour effectuer les collisions. En ce qui concerne la forme linéaire ou linéaire, les particules sont respectivement soit accélérés dans un long tube rectiligne, soit accélérés dans un tube circulaire où ils effectuent de nombreux tours. Le synchrotron est avantageux car sa forme circulaire permet de fournir plus d’énergie aux particules grâce aux nombreux tours effectués. De ce fait, cela prend moins de place pour obtenir de grandes énergies de collision. Cependant, le linéaire coûte moins cher car les technologies utilisées pour faire fonctionner un synchrotron sont plus complexes et que ce dernier occupe une grande surface. Lors de la collision, la plupart des particules ont une durée de vie extrêmement courte. En effet, elles se désintègrent vite en d’autres particules plus stables. Pour analyser et interpréter l’ensemble des données de la collision, les physiciens ont mis en place des détecteurs le long de l’accélérateur. Ceux-ci mesurent les vitesses et énergies de particules issues de la collision pour les distinguer et les identifier. Ensuite, des quantités gigantesques de données sont envoyées à des ordinateurs puissants qui interprètent et traduisent les résultats que les physiciens vont analyser. Dans le cas du LHC, les ordinateurs peuvent extraire un maximum de 100 000 collisions par seconde. Mais parmi ceux-ci, seulement quelques centaines sont sélectionnées par les ordinateurs qui trient le tout. Ceci est ensuite envoyé au physicien pour 6 : Il s’agitdu faitd’arracher des électrons à un atome, cela donne un ion.Cela permet la stabilisation de l’atome. Naturellement, ceci est dû à la force E-M.
  30. 30. 29 l’analyse. Dans le cas d’un accélérateur circulaire, le détecteur se trouve derrière la cible, en forme de cône. Dans un synchrotron, celui-ci est un grand cylindre englobant une partie de l’accélérateur où les collisions sont les plus probables. Détecteur d’un accélérateur à cible. [18] Détecteur d’un accélérateur à collision. [18] Ces détecteurs sont composés de plusieurs couches ou « chambres », qui s’occupent chacune d’un ensemble de particules, selon leurs caractéristiques. En effet, les particules de la collision qui traversent les couches du détecteur interagissent différemment selon les matériaux de la couche. Ces interactions sont appelées signatures, propres à chaque particules. Les détecteurs fonctionnent aussi comme des aimants géants, permettant de mesurer la charge électrique et la vitesse des particules. Les couches sont représentées sur les images ci-dessus par les différentes couleurs des deux détecteurs. Les résultats interprétés par les ordinateurs se présentent comme suit : Représentation simplifiée des résultats d’une collision proton-antiproton dans le tube d’un accélérateur. L’énergie émise forme de nombreuses particules dont une paire électron-positron. [19] A présent, revenons au LHC, celui-ci est donc un accélérateur circulaire à collision entre particules. Il a une circonférence de 27 Km et se trouve sur la frontière franco-suisse, à 175 mètres sous le sol. Il est actuellement le plus grand et le plus puissant accélérateur du monde. La construction de celui-ci débuta en 1998 pour finir en 2008. Cependant, il tomba en panne cette année-là suite un incident causé par une connexion électrique défaillante entre deux aimants de l’accélérateur. Il a redémarré en 2010, et depuis, il n’aura fallu que deux ans et demi pour prouver expérimentalement l’existence du boson de Higgs. Il est le dernier de la chaîne d’accélérateurs du CERN, provoquant des collisions d’énergie maximale de 7 TeV par nucléons, donnant donc une énergie de collision de 14 TeV (potentiel maximal encore à atteindre, il s’agit actuellement de 8 TeV) entre particules. Celui-ci est beaucoup plus puissant que son prédécesseur, le LEP, ayant parvenu à produire des collisions jusqu’à 209 GeV (insuffisant pour produire le boson de Higgs). De plus, ces deux accélérateurs ont la même taille, la puissance du LHC vient donc surtout de son avancée technologique incroyable. En effet, chaque partie de l’accélérateur devait être révisée et améliorée grâce au progrès de la technologie, pour donner un maximum de puissance à l’appareil. Son but principal était de prouver l’existence du boson de Higgs. Sa puissance extraordinaire sera également très utile
  31. 31. 30 pour d’autres recherches à l’avenir. Il aura coûté une dizaine de milliards d’euros. Une dizaine de milliers d’ingénieurs, venant d’une centaine de pays différents sont venus participer à la construction de cet appareil. Tout cela montre le défi technologique derrière la construction de celui-ci. Le LHC peut produire de très grandes quantités de données informatiques, analysées par un réseau d’une centaine de centre informatique à travers le monde. L’accélérateur est composé de quatre détecteurs principaux : le CMS, ALICE, ATLAS et le LHcb. Il y a également des centres d’expérimentation plus petits tels que TOTEM. Je reparlerai de ces appareils plus tard. Le concept de celui-ci fut élaboré par les physiciens du CERN en 1984, après la découverte des bosons de la force faible par le LEP. En effet, les physiciens espéraient découvrir le boson de Higgs avec le LEP, mais, à cette époque-là, la masse de ce boson se situait dans un intervalle de cinquante à quelque centaines de GeV. Pour avoir une chance de produire ce boson, il faut avoir une énergie de collision supérieure à ce dernier. En effet, l’énergie issue de la collision est décomposée et forme des particules par la conversion énergie-masse. Pour former une certaine particule, il faut donc une énergie supérieure à sa masse, pour avoir une chance de l’obtenir. Sans parler du fait que l’énergie est aussi convertie en d’autres particules. La chance de production du boson de Higgs est aussi rare, j’expliquerai pourquoi plus tard. Pour s’assurer une meilleure probabilité de production du boson, il faut donc maximiser l’énergie de collision. Or le LEP avait une collision maximale avoisinant les 200 GeV. En connaissant la masse du boson de Higgs, on peut voir que sa production avec le LEP était déjà perdue d’avance. De là, l’idée du LHC était faite, il fallait remplacer le LEP, et utiliser ses tunnels pour construire un accélérateur dont la collision pourrait atteindre les TeV d’énergie et qui aurait une luminosité élevée. La luminosité d’un accélérateur est ce qui détermine la quantité de particules d’un faisceau dans un espace donné. Plus celle-ci est élevée, plus la concentration de particules sera intense et plus il y aura de chance de collision. C’est donc un paramètre important à considérer. Le LHC dans son long tunnel de 27 Km. [20]
  32. 32. 31 L’idée resta à l’ébauche jusqu’en 1990, où des physiciens du monde entier se sont rendus en Allemagne, à Aix-la-Chapelle, collaborant ensemble pour produire les premiers plans et structures du LHC. On y proposait également des concepts pour des détecteurs de grande précision. Le choix des matériaux et techniques pour mettre en œuvre l’accélérateur était primordial. Notamment, pour les détecteurs où chaque couche fonctionne différemment. En effet, les physiciens optaient pour différents types d’aimantation pour ceux –ci. De ce fait, quatre détecteurs principaux ont été mis en place, chacun dirigé par sa propre équipe et ayant des objectifs différents. Ce sont d’ailleurs avec deux de ces détecteurs, le CMS et l’ATLAS que le boson de Higgs fut découvert. J’y reviendrai au prochain chapitre. Pour l’aimantation de ceux-ci, le CMS et l’ATLAS furent construit de formes différentes, le CMS sous forme de solénoïde (forme d’un ressort) et l’ATLAS sous forme toroïdale (prenant l’aspect d’une large bague). Ces détecteurs furent ainsi construits avec des techniques différentes et similaires, dépendant des composés de ceux-ci. Tout au long de sa construction, le LHC a gagné de plus en plus de puissance. Ainsi, en 2010, les physiciens avaient les outils nécessaires pour commencer la recherche du boson de Higgs. Le LHC fait donc partie du complexe d’accélérateurs du CERN et est composé de quatre grands détecteurs [m]. Schéma simplifié du complexe du CERN. Les cercles accompagnés de leurs initiales sont les différents accélérateurs reliés. Le dernier de la chaîne est le LHC avec ses quatre grands détecteurs. [21] La deuxième image représente le CMS, celle-ci nous décrit bien l’ampleur et la complexité d’un détecteur. Celui-ci est traversé par l’accélérateur. [22] Chacun de ces détecteurs est dirigé par une grande équipe. L’ATLAS (a toroidal LHC apparatus) est destiné au boson de Higgs, la recherche de matière noire et d’autres aspects au- delà du modèle standard. Le CMS (compact muon solenoid) a les mêmes fonctions mais utilise des techniques différentes pour fonctionner. ALICE étudie la force forte et son origine. En quelques mots, ce détecteur soumet les quarks-gluons à de fortes densités d’énergie et de température. Ceci permet de séparer les quarks et gluons du confinement. Cette phase existait lors des premiers moments du Big Bang où les températures étaient énormes. Et comme je l’ai expliqué dans ce chapitre, le refroidissement a permis le confinement de ces particules. Le LHcb, un détecteur plus petit, étudie la matière-antimatière. Il existe encore d’autres petits détecteurs, tels que TOTEM, qui étudie par exemple, la luminosité de l’accélérateur, le comportement du proton accéléré,…
  33. 33. 32 On peut donc voir que le LHC est un énorme projet demandant beaucoup de main d’œuvre et d’efforts. Vu sa taille et sa puissance, il fut un véritable défi technologique pour les ingénieurs et physiciens. Il fonctionne grâce à de nombreuses techniques complexes, faisant de lui une des machines la plus avancée dans le monde. En effet, dans un même espace, les physiciens ont monté l’énergie de collision de 209 GeV à 14 TeV (son potentiel maximal), le tout également contribué en partie par le complexe entier du CERN. L’expérimentation du boson de Higgs : Ayant les outils nécessaires à disposition, la recherche du boson de Higgs put enfin commencer en 2010. Tout d’abord, je vais brièvement expliquer le phénomène de désintégration de particules. Je vais donc parler de désintégration, à l’échelle des particules fondamentales. En effet, il en existe d’autres types tels que la radioactivité, qui est la dégradation de noyaux nucléaires. La désintégration de particules est leur décomposition en d’autres particules généralement plus stables. Comment une particule déjà élémentaire peut-elle se décomposer ? En réalité, la particule ne se divise pas en d’autres particules, elle en forme à partir de sa propre énergie. Prenons la relation masse-énergie, une particule n’est donc qu’une quantité d’énergie sous forme de masse. Cette énergie, quand elle est élevée, n’est pas toujours très stable, elle peut donc se décomposer en plus petites quantités d’énergies, formant des particules moins massives et plus stables. Il s’agit donc d’une désintégration par libération d’énergie, ce qui forme d’autres particules. Les particules instables se désintègrent assez rapidement, ils ont une faible durée de vie. La force médiatrice de la désintégration de particules élémentaires est la force faible, véhiculée par les bosons Z neutres, et les bosons W, positifs ou négatifs. La désintégration se fait alors soit par courant neutre, soit par courant électrique. Lors de la désintégration d’une particule, cette dernière se décompose en une particule moins massive et un boson médiateur de la force faible. Je vais donner un exemple de désintégration avec l’exemple ci-dessous. Désintégration d’un quark d par un courant électrique, explication fournie ci-dessous. [23] Ceci est la désintégration d’un quark d. Ceci se fait avec le boson W négatif. Avec les courants électriques, les particules qui se désintègrent changent de saveur suite à cause de leur changement de charge électrique suite à l’échange avec le boson chargé. La saveur est une caractéristique qui distingue leptons ou quarks entre eux. En effet, quelques saveurs du quark
  34. 34. 33 sont le quark u, d, s,… Ici, le quark d se désintègre en un quark u et un boson W négatif. Par la suite, le boson W se décompose en un électron et antineutrino électronique. Après la désintégration, on observe un électron, antineutrino électronique et un quark u, tous issus du quark d. Avec un courant neutre, il n’y a pas de changement de saveur, puisqu’il n’y a pas de charge électrique. Il existe d’autres types de désintégrations, celle-ci pouvant être véhiculée par force forte, faible, ou E-M. Je me suis consacré aux dégradations élémentaires vu qu’elles expliquent simplement le même principe. De plus, elle est importante pour la découverte du boson de Higgs. On peut rajouter qu’il existe aussi les annihilations de particule- antiparticules, responsables de certaines désintégrations. En effet, lorsqu’une particule rencontre une antiparticule, ceux-ci s’annihilent pour former beaucoup d’énergie. Cette énergie se convertit en un boson qui, à son tour est aussi dégradé en particules. Il n’y a pas d’antimatière à l’état naturel, celui-ci est justement obtenu par la désintégration de particules. En effet, dans la plupart des cas, lorsqu’une particule est formée à partir de l’énergie d’autres, elle est souvent accompagnée de son antiparticule. Ainsi, j’ai expliqué les bases de la désintégration de particules. Lorsque les physiciens ont entamé les recherches du boson de Higgs avec le LHC, ils avaient déjà déduit que celui-ci avaient une masse d’au moins une centaine de GeV, et qui aurait même pu dépasser un TeV. De plus, ils savaient que la particule était instable, suite à sa grande masse. Celui-ci n’aurait donc qu’une très courte durée de vie. Il fallait donc l’observer par les traces de productions et de désintégrations de celui-ci. Etant donné qu’on ne connaissait pas précisément sa masse, ils devaient considérer un bon nombre de possibilités de traces dépendant de la masse du boson de Higgs. Les physiciens devaient donc effectuer des recherches pour écarter le plus de possibilités. La recherche se divisait en deux grandes équipes principales, aidées par des physiciens du monde entier. Chacune des équipes expérimentaient et effectuaient des recherches par des techniques différentes pour ainsi obtenir des résultats plus conclusifs. En effet, chacune des équipes utilisaient un des deux grands détecteurs, le CMS et l’ATLAS. La différence entre ceux-ci permettait d’analyser et d’étudier différents aspects des expériences en général. Les différentes techniques de construction des détecteurs déduisaient également ce qui était le plus efficace pour chaque détecteur. Entre 2010 et 2011, les deux équipes effectuèrent des expériences étudiant les collisions entre protons. Le CMS et l’ATLAS en ont dégagé de grandes quantités d’informations. Ceci a permis de mesurer les propriétés moyennes des collisions, vérifier ce que le modèle standard a prédit par rapport à ce boson et de faire des analyses pour tous les moyens possibles de l’obtenir. Ainsi, l’intervalle de masses possibles pour la particule rétrécissait. Ensuite, au mois de mars 2012, CMS et ATLAS se réunirent avec d’autres physiciens pour discuter des résultats obtenus. Les informations des deux groupes démontraient la même chose, toutes masses inférieure à 500 GeV étaient exclues, à l’exception d’une gamme située entre 115 et 130 GeV. En effet, dans cet intervalle, les physiciens remarquaient des excès d’évènements lors de l’expérimentation des voies de désintégrations en deux photons et en quatre leptons. En effet, comme je l’ai précisé, il y a avait plusieurs possibilités de production et désintégration du boson de Higgs. En ce qui concernait la production du boson, il y avait
  35. 35. 34 quatre « canaux » principaux, dont la fusion de gluons. Ces derniers produiraient un quark t, très lourd et instable, accompagné de l’antiquark t. Ensuite, ces derniers s’annihileraient pour produire le boson de Higgs. Il y avait également la possibilité qu’il soit créée à partir de deux bosons Z ou W, ou par désintégration d’un quark t, un boson Z ou W. En ce qui concerne les voies de désintégrations, il y avait cinq possibilités, n’ayant aucun lien avec la production de la particule. En effet, la désintégration du boson de Higgs était dure à prévoir. Ceci, en partie due au fait que les physiciens ne savaient que se baser sur la masse de la particule, dans compter qu’il s’agissait plutôt d’un intervalle de masses. Si la masse excédait 135 GeV, le boson avait des chances de se désintégrer en deux bosons Z ou W, puis en 4 leptons. Si la masse était inférieure à 120 GeV, la voie dominante était celle d’une paire de quarks b. Cette voie était la plus commune, mais aussi une des plus difficiles à observer. En effet, la paire de quarks b se « noient » sans les résultats suite à la création abondante d’hadrons par les collisions qui produisent le boson de Higgs. Les deux autres voies étaient plus rares, il s’agissait de la désintégration en deux photons, ou en paire de leptons tau. Le domaine situé entre 120 et 135 GeV semblait difficile à obtenir, mais offrait un grand nombre de voies de désintégrations. Deux voies y ressortaient parmi les autres, celles en deux photons et celle en quatre leptons (issus d’une paire de boson Z ou W). C’est dans ces deux voies que les physiciens ont accentuées leurs recherches, donc entre 120 et 135 GeV. Collision entre protons, révélant une des signatures possibles du boson de Higgs. Les lignes représentent la désintégration des protons en jets d’électrons et d’hadrons. Les points bleus représentent des particules issues de l’évènement. [24] Ensuite, en avril 2012, les physiciens décidèrent de mettre de côté cette zone, pour optimiser, revérifier et analyser une nouvelle fois les résultats obtenus de 2011. Cela permettait d’assurer l’écart de toute autre masse du boson de Higgs en dehors de cet intervalle. Par la suite, vers mi-juin, les deux équipes furent autorisées à accéder aux données de la zone 120-135 GeV, pour les mettre à jour. Ceci, pour la conférence de physique des hautes énergies à Melbourne. Chaque équipe firent les analyse des résultats de cette zone indépendamment l’un de l’autre. Ainsi, quelques semaines plus tard, le 4 juillet, ATLAS et CMS annonçaient la confirmation d’un excès d’évènement lors des collisions qui correspondait à une masse autour de 125-126 GeV. Ceci avec un degré d’assurance de 99,99... %. Les physiciens annoncent une découverte à partir d’une confiance de cinq sigma, correspondant à une possibilité d’erreur de un sur trois millions. Cette particule était compatible avec le boson de Higgs prévu par le modèle

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