1. Physique des particules, où en
sommes-nous?
Gilles Cohen-Tannoudji
www.gicotan.fr

2. À propos du boson de Higgs
• Annonce d’un premier succès de la plus
grande expérience jamais entreprise par
l’homme
• Qu’est-ce que le modèle standard?
• Le principe de symétrie de Pierre Curie
• Le mécanisme et le boson de Higgs
• Les défis du LHC
• Mise en perspective cosmogonique
Physique des particules où en sommes-
11/07/2012 2
nous?

3. Physique des particules où en sommes-
11/07/2012
L’accélérateur du CERN à Genève
nous?
3

4. L’intérieur du détecteur ATLAS au LHC
Physique des particules où en sommes-
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nous?

5. Physique des particules où en sommes-
11/07/2012 5
nous?

6. Physique des particules où en sommes-
11/07/2012 6
nous?

7. Physique des particules où en sommes-
11/07/2012 7
nous?

8. À propos du boson de Higgs
• Annonce d’un premier succès de la plus
grande expérience jamais entreprise par
l’homme
• Qu’est-ce que le modèle standard?
• Le principe de symétrie de Pierre Curie
• Le mécanisme et le boson de Higgs
• Les défis du LHC
• Mise en perspective cosmogonique
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9. Les constituants élémentaires
Génération 1ère génération 2ème génération 3ème génération
Type
q=2/3 Haut Charme Sommet
quarks u c t
(f EM F) (f EM F) (f EM F)
q=-1/3 Bas Etrange Beauté
quarks d s b
(f EM F) (f EM F) (f EM F)
Leptons Neutrino d'électron Neutrino de muon Neutrino de tauon
neutres
(neutrinos)
e  
(f) (f) (f)
Leptons Electron Muon Tauon
chargés e  
(f EM) (f EM) (f EM)
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10. Les interactions fondamentales
Interaction Particules Paramètres de Champs médiateurs
impliquées couplage
Forte Quarks Couleur Gluons
Électromagnétique Quarks, leptons chargés Charge électrique Photon
Faible Quarks, leptons Isospin et Bosons vecteurs
chargés et neutrinos hypercharge faibles intermédiaires,
W+,W-,Z0
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11. Acquis et lignes de force du modèle standard
• Découverte d’un nouveau niveau d’élémentarité, les quarks
• Un principe unificateur la symétrie de jauge
• Un critère de fiabilité, la renormalisabilité
• Un mécanisme efficace de brisure de la symétrie de jauge
préservant la renormalisabilité, le mécanisme de Higgs qui
implique l’existence d’au moins une particule non encore
découverte (jusqu’à la semaine dernière!), le boson de Higgs
• Accord avec l’ensemble des données expérimentales jusqu’à
200 GeV
• Potentiel de découverte de physique nouvelle à des énergies
plus élevées
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12. e e  
 W
e e
d u
a
b
  qB qR
g
Z
qR qB
u u
c d
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13. Z Z
H
t t
Interaction d’un quark t et d’un boson Z0 par échange d’un
boson de Higgs H
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14. LEPTONS QUARKS
e, , u , c, t
e , , d , s, b
Constituants L Q
élémentaires
Médiateurs des  W g
Z
interactions
Photon W+,W- Z0 Gluons
Boson de Higgs H
Les lignes courbes en bleu représentent les interactions et auto-interactions
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15. L’histoire du modèle standard
Dates Cadre théorique Gravitation Électro Interaction Interaction
magnétisme faible forte
17ème Galilée, Newton Newton
siècle
19ème Mécanique Maxwell
siècle analytique,
thermodynamique
statistique
1895- Rayons X, électron, radioactivité
1898
1900- Mécanique
1930 quantique
1905- Relativité Einstein
1915
1930- Théorie quantique QED Fermi Yukawa
1950 des champs
1970- Théories de jauge Big bang Théorie électrofaible de QCD
2000 Glashow, Salam et Weinberg
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16. Modèles standards et révolutions scientifiques
• Le premier modèle standard (mécanique newtonienne et
théorie universelle de la gravitation) marque la première
révolution scientifique (naissance de la science moderne et
épanouissement de la science classique) et le début de l’ère
industrielle, inspirée par les Lumières
• Le modèle standard actuel fondé sur la relativité et les
quanta, marque la seconde grande révolution scientifique,
celle du 20ème siècle
• En physique des particules (avec le LHC), en cosmologie, en
physique des très basses températures, apparaissent peut-
être des signes avant-coureurs d’une nouvelle révolution
scientifique
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17. À propos du boson de Higgs
• Annonce d’un premier succès de la plus
grande expérience jamais entreprise par
l’homme
• Qu’est-ce que le modèle standard?
• Le principe de symétrie de Pierre Curie
• Le mécanisme et le boson de Higgs
• Les défis du LHC
• Mise en perspective cosmogonique
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18. • Le principe de symétrie de Pierre Curie
("Sur la symétrie dans les phénomènes physiques,
symétrie d'un champ électrique et d'un champ
magnétique", Pierre Curie Journal de Physique t. III, p.
26, septembre 1894) "Je pense qu'il y aurait intérêt à
introduire dans l'étude des phénomènes physiques les
considérations sur la symétrie familières aux
cristallographes"
Lorsque certaines causes produisent certains effets, les
éléments de symétrie des causes doivent se retrouver
dans les effets produits.
Lorsque certains effets révèlent une certaine dissymétrie,
cette dissymétrie doit se retrouver dans les causes qui
lui ont donné naissance
Physique des particules où en sommes-
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nous?

19. • En résumé, les symétries caractéristiques des phénomènes ont un intérêt
général incontestable. Au point de vue des applications, nous voyons que
les conclusions que nous pouvons tirer des considérations relatives à la
symétrie sont de deux ordres:
– Les premières sont des conclusions fermes mais négatives, elles répondent à
la proposition incontestablement vraie: il n’est pas d’effet sans cause. Les
effets, ce sont les phénomènes qui nécessitent toujours, pour se produire, une
certaine dissymétrie. Si cette dissymétrie n’existe pas, le phénomène est
impossible. Cela nous empêche souvent de nous égarer à la recherche de
phénomènes irréalisables.
– Les considérations sur la symétrie nous permettent encore d’énoncer une
deuxième sorte de conclusions, celle-ci de nature positive, mais qui n’offrent
pas la même certitude que celles de nature négative. Elles répondent à la
proposition: il n’est pas de cause sans effets. Les effets, ce sont les
phénomènes qui peuvent naître dans un milieu possédant une certaine
dissymétrie; on a là des indications précieuses pour découverte de nouveaux
phénomènes; mais les prévisions ne sont pas des prévisions précises comme
celles de la thermodynamique.
Physique des particules où en sommes-
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20. À propos du boson de Higgs
• Annonce d’un premier succès de la plus
grande expérience jamais entreprise par
l’homme
• Qu’est-ce que le modèle standard?
• Le principe de symétrie de Pierre Curie
• Le mécanisme et le boson de Higgs
• Les défis du LHC
• Mise en perspective cosmogonique
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nous?

21. Le défi de l’unification électrfaible
• Unification possible des interactions faible et
électromagnétique (unification électrofaible) avec le modèle
des bosons intermédiaires (MBI) massifs
• Sans symétrie de jauge, le MBI n’est pas renormalisable
• Avec la symétrie de jauge, le MBI serait renormalisable mais il
faudrait que les bosons intermédiaires fussent sans masse
• Pour qu’existe une théorie à symétrie de jauge dans
l’interaction faible, il faudrait que tous les constituants
élémentaires (les fermions) fussent sans masse
• Or des bosons intermédiaires sans masse et des fermions
sans masse sont en contradiction flagrante avec l’expérience
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nous?

22. Mécanisme de Higgs: brisure spontanée
d’une symétrie de jauge
• Phénomènes de brisure spontanée de symétrie
– Définition générale: on dit que l'on a une situation de brisure spontanée
de symétrie dans un système physique si la dynamique du système a une
certaine symétrie et que les états n'ont pas cette symétrie
– Cette situation physique est analogue à la circonstance mathématique où
l'ensemble des solutions d'une équation a une certaine symétrie alors
que chaque solution particulière n'a pas la symétrie en question.
– Les situations de brisure spontanée de symétrie sont fréquentes en
physique statistique: elles résultent d'un conflit entre la symétrie d'une
cause principale et la stabilité de l'état fondamental (état d’énergie
minimum, aussi appelé vide), du système par rapport à des fluctuations
incontrôlables (thermiques ou quantiques) qui n'ont pas la symétrie en
question. On a une brisure spontanée de symétrie si l'état d'énergie
extrémale symétrique est instable alors que les seuls états d'énergie
extrémale stables sont non symétriques
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23. Qu’est-ce que le vide en théorie quantique des
champs?
• Qu’est-ce qu’un champ quantique?
– Un champ relativiste défini en chaque point de l’espace-temps
– Un champ quantique d’opérateurs d’émission ou d’absorption
d’un quantum d’énergie-impulsion (une particule ou une
antiparticule)
• Dualité ondes/particules
– Ondes dans l’espace-temps
– Particules dans l’espace de Fock, espace des états du champ
définis par le nombre de quanta d’énergie-impulsion
• Le vide quantique: état fondamental (d’énergie minimum)
de l’espace de Fock, i.e. état à zéro quantum d’énergie-
impulsion.
Physique des particules où en sommes-
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nous?

24. • Conséquences des inégalités de Heisenberg
– Quand le nombre de quanta est bien déterminé, par
exemple dans le vide quantique où ce nombre est nul,
l’état spatio-temporel du champ est indéterminé
– Quand l’état spatio-temporel du champ est bien
déterminé, par exemple dans un état cohérent tel
qu’il est produit avec un laser, le nombre de quanta
d’énergie est indéterminé
– Dans l’espace-temps, le vide quantique est assimilable
à un milieu complexe, siège de fluctuations du ou des
champs quantiques
– Dans le cas où ces fluctuations ne se moyennent pas à
zéro, le vide peut être assimilé au milieu « possédant
une certaine dissymétrie » (Curie), dans lequel peut
naître le phénomène de l’émergence de la masse,
c’est ce qui se produit avec le mécanisme de Higgs
Physique des particules où en sommes-
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25. • « D'où l'on peut voir qu'il y autant de
différence entre le néant et l'espace vide, que
de l'espace vide au corps matériel ; et
qu'ainsi l'espace vide tient le milieu entre le
matière et le néant. C'est pourquoi la maxime
d'Aristote dont vous parlez, "que les non-êtres
ne sont point différents", s'entend du
véritable néant, et non pas de l'espace vide. »
• Réponse de Blaise Pascal au très révérend
père Noël, recteur de la Société de Jésus, à
Paris, 29 octobre 1647 Pascal, Oeuvres
complètes, La Pléiade, p 384, ed. 1998
Physique des particules où en sommes-
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26. Le défi théorique de l’unification
électrofaible relevé avec le mécanisme de
Champ de Higgs
Higgs
 )
Un boson de
f 
,f ) ; f ,f
0 0 
Higgs massif
Vide possible,
V(f)
symétrique Des fermions
Fermions droits mais instable Im(f) massifs
et gauches sans
masse Re(f) Un photon
sans masse
des bosons
4 bosons Vides stables,
dégénérés et non-
faibles, W+,W-,
électrofaibles Z0 massifs
symétriques
sans masse
Brisure spontanée de la symétrie électrofaible: le Une théorie
paradigme du chapeau mexicain électrofaible
renormalisable!
Physique des particules où en sommes-
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27. –Dans le vide stable, la valeur moyenne du
champ de Higgs est différente de zéro. Quand
une particule se propage dans ce milieu, elle
acquiert de la masse
Physique des particules où en sommes-
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nous?

28. Mécanisme et boson de Higgs en bande
dessinée
Ceci accroît la résistance à son
mouvement; en d’autres termes,
il acquiert une masse tout comme
Un scientifique renommé entre les particules se déplaçant dans le
Une salle emplie de physiciens dans la salle, créant une
bavardant tranquillement est champ de Higgs
perturbation quand il se déplace
l’analogue d’un espace empli de et attire à chaque pas un groupe
champ de Higgs d’admirateurs
Elle provoque le même type
d’attroupement , mais cette fois
entre les scientifiques eux-
mêmes: un tel attroupement est
Si une rumeur traverse la salle l’analogue de la particule de Higgs
Physique des particules où en sommes-
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29. Prix Nobel 1999
Preuve de la renormalisabilité des
théories de jauge avec ou sans
brisure de symétrie
Gerald ‘tHooft Martinus Veltman
Ne pas oublier de citer:
Benjamin Lee
Jean Zinn-
Justin
Physique des particules où en sommes-
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30. LEPTONS QUARKS
e, , u , c, t
e , , d , s, b
Constituants L Q
élémentaires
Médiateurs des  W g
Z
interactions
Photon W+,W- Z0 Gluons
Boson de Higgs H
Les lignes courbes en bleu représentent les interactions et auto-interactions
Physique des particules où en sommes-
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nous?

31. À propos du boson de Higgs
• Annonce d’un premier succès de la plus
grande expérience jamais entreprise par
l’homme
• Qu’est-ce que le modèle standard?
• Le principe de symétrie de Pierre Curie
• Le mécanisme et le boson de Higgs
• Les défis du LHC
• Mise en perspective cosmogonique
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nous?

32. Les défis du LHC
• Énergie maximum (7 TeV) dans le tunnel du LEP= champ de 8,2 tesla
• Aimants supraconducteurs; Installation cryogénique à 1,9 K (endroit le
plus froid de l’univers)
• Collisionneur proton – proton= chaque aimant doit avoir les deux
polarités à quelques centimètres de distance (forces magnétiques
énormes)
• Très haute luminosité: beaucoup de paquets (2808), beaucoup de protons
par paquet (100 milliards), petite taille transverse (10μm)
• Un milliard d’interactions par seconde
• Tri des événements potentiellement intéressants, énormes flux
d’information, grilles de calculs
• Résistance aux radiations
Physique des particules où en sommes-
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33. À propos du boson de Higgs
• Annonce d’un premier succès de la plus
grande expérience jamais entreprise par
l’homme
• Qu’est-ce que le modèle standard?
• Le principe de symétrie de Pierre Curie
• Le mécanisme et le boson de Higgs
• Les défis du LHC
• Mise en perspective cosmogonique
Physique des particules où en sommes-
11/07/2012 33
nous?

34. L’émergence des masses, du temps propre
et de la lumière
• En mécanique classique, la masse précède l’énergie: il n’y
a pas d’énergie sans masse (énergie cinétique d’une
particule massive)
• En relativité restreinte, l'énergie précède logiquement la
masse: il y a de l'énergie sans masse; il n'y a pas de masse
sans énergie
• En cosmogonie scientifique, l'énergie précède
temporellement la masse: dans l'histoire de l'Univers, il y
aurait eu une époque où aucune particule n'avait de
masse. C’est après la brisure de la symétrie électrofaible
que les particules ont acquis leur masse
• Noter qu’en l’absence de masse, il n’y a pas de temps
propre: l’émergence de la masse coïncide donc avec le
début du temps propre !particules où en sommes-
Physique des
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nous?

35. Brisure de la symétrie électrofaible et émergence de la
lumière
• Avant la brisure de la symétrie électrofaible, le
photon, le boson médiateur de l’interaction
électromagnétique n’existait pas en tant que tel.
Il y avait quatre bosons intermédiaires de
l’interaction unifiée électrofaible
• Après la brisure de symétrie induite par le
mécanisme de Higgs, trois de ces quatre bosons
intermédiaires deviennent les bosons
intermédiaires W+ W- et Z0 de l’interaction faible
et le quatrième devient le photon. La lumière
advient !
Physique des particules où en sommes-
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nous?

36. Vers un dépassement du modèle standard ?
Dates Cadre théorique Gravitation Électro Interaction Interaction
magnétisme faible forte
17ème Galilée, Newton Newton
siècle
19ème Mécanique Maxwell
siècle analytique,
thermodynamique
statistique
1895- Rayons X, électron, radioactivité
1898
1900- Mécanique
1930 quantique
1905- Relativité Einstein
1915
1930- Théorie quantique QED Fermi Yukawa
1950 des champs
1970- Théories de jauge Big bang Théorie électrofaible de QCD
2000 Glashow, Salam, Weinberg et
Higgs
2003- … Décohérence, CDM Grande unification? Supersymétrie ? Matière
théorie quantique sombre ?Inflation ?Gravitation quantique ?
de l’information,
Holographie
Physique des particules où en sommes-
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nous?