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Physique des particules, où en
       sommes-nous?
      Gilles Cohen-Tannoudji
          www.gicotan.fr
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?
Physique des particules où en sommes-
11/07/2012
             L’accélérateur du CERN à Genève
                                      nous?
                                                              3
L’intérieur du détecteur ATLAS au LHC
                         Physique des particules où en sommes-
11/07/2012                                                       4
                                         nous?
Physique des particules où en sommes-
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                             nous?
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Physique des particules où en sommes-
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                             nous?
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-
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                                   nous?
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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11/07/2012                                                                                  9
                                               nous?
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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11/07/2012                                                                               10
                                               nous?
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


                          Physique des particules où en sommes-
11/07/2012                                                        11
                                          nous?
e            e                                             

                                                                W



        e            e
                                                    d                u
             a
                                                             b
                                               qB                qR

                                                                 g
                 Z



                                                   qR                qB
    u                    u
             c                                               d

                     Physique des particules où en sommes-
11/07/2012                                                                12
                                     nous?
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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11/07/2012                                                            13
                                          nous?
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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 11/07/2012                                                                                        14
                                                      nous?
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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11/07/2012                                                                                                 15
                                                   nous?
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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11/07/2012                                                       16
                                      nous?
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                                                 17
                                   nous?
• 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

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11/07/2012                                                            18
                                            nous?
• 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.


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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-
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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
                      Physique des particules où en sommes-
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                                      nous?
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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                                               nous?
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.



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11/07/2012                                                              23
                                          nous?
• 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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                                       nous?
• « 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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                                 nous?
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!

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                                                       nous?
–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




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                                         nous?
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


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                                                            nous?
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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                                                 nous?
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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                                                      nous?
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-
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                                   nous?
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



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                                         nous?
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-
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                                   nous?
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?
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?
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-
11/07/2012                                                                                               36
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  • 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- 11/07/2012 4 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 Physique des particules où en sommes- 11/07/2012 8 nous?
  • 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) Physique des particules où en sommes- 11/07/2012 9 nous?
  • 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 Physique des particules où en sommes- 11/07/2012 10 nous?
  • 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 Physique des particules où en sommes- 11/07/2012 11 nous?
  • 12. e e    W e e d u a b   qB qR g Z qR qB u u c d Physique des particules où en sommes- 11/07/2012 12 nous?
  • 13. Z Z H t t Interaction d’un quark t et d’un boson Z0 par échange d’un boson de Higgs H Physique des particules où en sommes- 11/07/2012 13 nous?
  • 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 Physique des particules où en sommes- 11/07/2012 14 nous?
  • 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 Physique des particules où en sommes- 11/07/2012 15 nous?
  • 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 Physique des particules où en sommes- 11/07/2012 16 nous?
  • 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 Physique des particules où en sommes- 11/07/2012 17 nous?
  • 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- 11/07/2012 18 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- 11/07/2012 19 nous?
  • 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 Physique des particules où en sommes- 11/07/2012 20 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 Physique des particules où en sommes- 11/07/2012 21 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 Physique des particules où en sommes- 11/07/2012 22 nous?
  • 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- 11/07/2012 23 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- 11/07/2012 24 nous?
  • 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- 11/07/2012 25 nous?
  • 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- 11/07/2012 26 nous?
  • 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- 11/07/2012 27 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- 11/07/2012 28 nous?
  • 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- 11/07/2012 29 nous?
  • 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- 11/07/2012 30 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 Physique des particules où en sommes- 11/07/2012 31 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- 11/07/2012 32 nous?
  • 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 11/07/2012 34 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- 11/07/2012 35 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- 11/07/2012 36 nous?