Mise à jour 19 Septembre 2013-a (update avec vidéo)
 
 
CONFÉRENCE MENSUELLE DE LA SAF
 «CHAMP DE HIGGS ET ORIGINE DE LA MATIÈRE»
Par Yves SIROIS
Physicien Labo Leprince Ringuet CNRS/IN2P3 Polytechnique
Responsable de l’expérience CMS au LHC pour le CNRS
Au FIAP, 30 rue Cabanis, 75014 Paris (métro Glacière).
Le Mercredi 11 Septembre 2013 à 20H30
 
Photos : JPM. pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur.  Voir les crédits des autres photos et des animations.
Le conférencier a eu la gentillesse de nous donner sa présentation, elle est disponible sur ma liaison ftp et s'appelle :
Sirois-SAF-Higgs.pdf, elle est dans le dossier CONF-MENSUELLES-SAF/ saison 2013-2014. .
Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.
 
Cette conférence a été filmée en vidéo (grâce à UNICNAM et IDF TV) et est accessible sur Internet
On la trouve à cette adresse   http://www.youtube.com/playlist?list=PLM_NLeMfZ9TrOt4cwifzVg-6kAslzuIqT  
 
 
 
Une salle bien pleine comme presque toujours maintenant !
 
 
 
 
Yves Sirois est l’une des rares personnalités qui a réellement participé in situ à la découverte du boson de Higgs au sein de son équipe de l’expérience CMS et qui dès le mois de Juin 2012 savait qu’on allait annoncer cette fabuleuse découverte.
 
Merci à lui de nous consacrer un peu de son temps.
 
Signalons qu’il fut l’une des personnes à recevoir en Août 2012 le Premier Ministre en visite au LHC.
 
 
 
 
 
 
Sa présentation est composée de 6 parties :
·        La physique des particules
·        Naissance d’un paradigme : L’origine de la lumière
·        Théorie des champs
·        Le LHC et les grandes expériences
·        L’origine de la masse
·        Découverte et perspectives
 
 
 
L’aventure de la matière a commencé plusieurs siècles avant notre ère et s’est poursuivie jusqu’à maintenant pour aboutir aux quarks et leptons.
D’un questionnement sur la structure de la matière, on a abouti aujourd’hui à un quête des origines mêmes de la matière et des interactions Le boson de Higgs est la clef de voûte de cette révolution conceptuelle 
 
La conférence de ce soir a pour objet le boson de Higgs, chaînon manquant au Modèle Standard de la Physique des Particules.
 
 
 
 
Le bison de Higgs vu par Lison Bernet.
(fait partie d’une BD complète à voir ICI)
 
 
 
 
 
 
 
 
LA PHYSIQUE DES PARTICULES.
 
 
 
Dans le monde de la physique des particules, il existe deux entités : les fermions et les bosons.
 
·        Les Fermions sont des particules liées à la matière, ce sont tout ce que l’on connaît : les atomes et les molécules
·        Les Bosons, sont principalement les « messagers » des forces de la nature (qui sont au nombre de 4) le photon de lumière est le plus connu de tous
 
En gros : fermion = matière   boson = messagers de force
 
 
 
 
 
On ne sait pas trop pourquoi les fermions (que sont les leptons et les quarks) existent en trois familles, dont seule la première (c’est à dire électron, quark up et quark down) correspond à de la matière stable.
 
 
En ce qui concerne les 4 forces (ou interactions) de base ce sont :
·        l'interaction gravitationnelle, responsable de la pesanteur, règne sur l’Univers. Portée illimitée
·        l'interaction électromagnétique, responsable de l'électricité, du magnétisme, de la lumière et responsable de la cohésion des êtres vivants  Transportée par le photon. Portée illimitée.
·        l'interaction forte, responsable de la cohésion des noyaux atomiques, très puissante. .Courte portée.
·        l'interaction faible, responsable de la radio-activité bêta, qui permet au Soleil de briller. Courte portée.
 
L’origine des interactions de courtes portées est fondamentalement liée à la question de l’origine de la masse .
 
 
 
 
 
 
 
NAISSANCE D’UN PARADIGME : L’ORIGINE DE LA LUMIÈRE.
 
 
Cela a commencé avec Maxwell et l’unification de l’électricité et du magnétisme, avec la notion de champ électrique et de champ magnétique. On a noté une symétrie entre les équations de ces deux forces.
La lumière est une onde électromagnétique, conséquence de l’unification de l’électricité et du magnétisme
 
La notion de champ est une notion fondamentale en physique.
 
NDLR :
Un champ est associé à une propriété physique (une valeur mesurable) en tout point de l’espace-temps.
On dit que l’on a affaire à un champ scalaire, lorsque la grandeur mesurable est une valeur numérique, comme le champ des pressions ou des températures.
On dit que c’est un champ vectoriel lorsque la grandeur mesurable est caractérisée par un vecteur, comme un champ de vitesse (une vitesse à une valeur absolue et une direction)
 
 
 
Cette unification mène à deux des grandes révolutions du XXème siècle :
 
La relativité restreinte d’Einstein :
Les équations de Maxwell sont invariantes pour un changement de repère galiléen (transformation de Lorentz). Cela implique que la vitesse de la lumière (photons de masse nulle) doit être la même quelque soit les repères.
Énergie et masse sont deux aspects d’une même entité.
 
La mécanique quantique :
La stabilité des orbites des électrons de l’atome implique la quantification. La dualité onde corpuscule est introduite par De Broglie. Énergie et temps sont liés pas la relation d’incertitude de Heisenberg. Sur le chemin de la physique moderne : Dirac effectue le mariage de ces deux révolutions conceptuelles.
Le mariage mène à l’électrodynamique quantique (QED)
 
 
 
 
 
La mathématicienne Allemande Emmy Noether établit en 1918 ce théorème qu’Einstein lui même qualifia de monument de la pensée mathématique.
Elle a imaginé que derrière chaque symétrie se cache un invariant et en déduisit son théorème qui établit un lien entre les symétries et les lois de conservation.
 
C’est ainsi que l’on peut établir des correspondances entre symétries et invariants :
 
SYMÉTRIES
LOI DE CONSERVATION
Translation dans le temps
Conservation de l’énergie
Translation dans l’espace
Conservation de l’impulsion
Rotation
Conservation du moment cinétique
Invariance de jauge
Conservation de la charge électrique
 
Dans une théorie de jauge, il y a un groupe de transformations des variables qui laisse la physique du champ quantique inchangée.
Cette condition est appelée invariance de jauge.
 
La première théorie ayant une symétrie de jauge était l’électrodynamique classique de Maxwell.
Imposer l’invariance de jauge pour une théorie des électrons implique l’existence des interactions électromagnétiques
 
 
 
THÉORIE DES CHAMPS.
 
L’électrodynamique quantique (quantum electrodynamics = QED) est aussi une théorie de jauge.
Le modèle standard est une théorie des champs basée sur des symétries de jauge.
Les symétries de jauges fixent la nature des interactions
 
NDLR : On distingue entre invariance globale et invariance locale.
 
 
 
Masse des particules en GeV (milliard d’eV).
 
Toutes les particules de matière (fermions) et d’interaction (bosons) sont des quanta d’excitation de champs.
Les particules sont les excitations d’un champ.
 
Les champs sont présents dans tout l’Univers.
 
Les électrons sont identiques dans tout l’Univers car tous quanta d’un seul et même champ.
 
Les fluctuations quantiques du champ implique que le vide (absence de particules réelle) contient une « mer » virtuelle de particules et d’anti particules.
 
 
 
 
 
La force électrofaible est l’unification des forces électromagnétique et faible. (Prix Nobel 1979)
Au tout début de l’Univers, la température étant extrêmement élevée (donc les énergies très fortes) ces deux forces étaient unifiées.
 
Ces deux forces sont d’apparence très différentes, la force électromagnétique est de portée infinie, par contre la force faible ne joue qu’au niveau atomique.
Mais aux échelles d’une centaine de GeV, elles sont du même ordre de grandeur : l’unification donne la force électrofaible
 
 
La force électrofaible est basée sur un groupe de jauge (appelé SU(2) U(1)) dont les transmetteurs sont les bosons Z et W±  pour l’interaction faible et le photon g pour l’interaction électromagnétique.. Mais un problème apparaît : les bosons de jauge devraient être de masse nulle d’après la théorie, ce qui n’est manifestement pas le cas.
 
On ne peut pas introduire la masse directement dans la théorie.
On ne peut pas se passer de connaître l’origine de la brisure de symétrie de la force électrofaible.
 
La réponse sera apportée notamment par Robert Brout, François Englert, et Peter Higgs en 1964, en introduisant un nouveau champ, un champ scalaire dit de « Higgs », qui induit une brisure spontanée de symétrie électrofaible.
 
 
 
 
 
 
NDLR : Une analogie pour la brisure spontanée de symétrie : le flambage d’une poutre
Brisure de symétrie : EWSB = Electroweak Symmetry Breaking
Une autre analogie pour comprendre la brisure de symétrie : dans de l’eau liquide les molécules H2O possèdent une certaine symétrie ; plus on descend en dessous de zéro degré (surfusion), cette eau va passer à un moment donné d’elle même à l’état solide, la symétrie des molécules d’eau a changé ; il y a eu brisure spontanée de symétrie.
De même l’exemple classique d’une table ronde dans un banquet, avec couverts et verres. Personne ne sait quel verre il faut prendre, celui de droite ou celui de gauche ; dès qu’un convive s’empare d’une verre, la symétrie est spontanément brisée….
 
 
Le mécanisme de Brout-Englert-Higgs (BEH) permet de résoudre ce problème de brisure de symétrie électrofaible tout en préservant les symétries de jauges.
   Les bosons Z et W± acquièrent une masse, le photon reste de masse nulle.
   Les quarks et les leptons ce couplent au nouveau champ scalaire et acquièrent ainsi une masse
 
Un des buts ultimes du LHC est de mettre en évidence ce champ de Higgs (ou le boson de Higgs).
 
 
 
LE LHC ET LES GRANDES EXPÉRIENCES.
 
 
 
C’est le domaine des hautes énergies et des collisionneurs.
Ils nous permettent :
·        de sonder la matière à plus petite distance par exemple 1 TeV correspond à des dimensions de l’ordre de 0,001fm
(un fm= fermi= 10-15m)
·        créer de nouvelles particules massives (grâce à E=mc2)
·        d’étudier les très hautes températures : 1 TeV correspondant à 1017K !
 
Les accélérateurs sont le nouveaux microscopes pour étudier la matière du début de l’Univers.
 
 
 
 
 
Le CERN est un laboratoire mondial occupant près de 9000 scientifiques de 58 pays et dont la figure de prou est le collisionneur de Hadrons le LHC, anneau géant de 27km de circonférence situé à 100m sous terre.
 
 
 
Structure du LHC.
Parcours des particules dans CMS
 
 
Deux énormes détecteurs sont les instruments les plus importants du LHC, mais il y en a beaucoup d’autres (notamment LHC-B et ALICE) !
 
L’expérience ATLAS (Photo : CERN)
L’expérience CMS (photo : CERN)
 
 
 
Des chiffres qui donnent le tournis :
 
Le nombre de données pas seconde est incroyablement énorme : 1 Gigabit !
 
1232 dipôles de 15t de 8,3 Tesla (100.000 fois le champ terrestre !)
392 quadripôles
14 TeV possible avec 362 MJ de puissance stockée (un Airbus à l’atterrissage)
croisement de paquets de protons toutes les 25 ns, faisceaux de 10 microns au point de croisement
refroidissement à l’Hélium superfluide (1,9K) dans un vide plus poussé que l’atmosphère lunaire !
 
Le collisionneur est un outil pour rechercher la signature de la présence du boson de Higgs dans les chocs proton-proton.
 
Les principaux objectifs du LHC sont donc :
·        Comprendre l’origine des masses en mettant en évidence le boson de Higgs.
·        Étudier la matière au tout début de l’Univers lorsqu’elle n’était qu’un plasma de quarks et de gluons.
·        Expliquer l’asymétrie matière-antimatière.
·        Trouver la nature de la matière noire.
 
 
Mais c’est un tri très sélectif : il se produit 600 millions d’évènements par seconde, on en sélectionne 100.000 qui pourraient être intéressants, on traite ces informations plus finement dans de nombreux calculateurs, et il en reste à la fin une centaine par seconde !
 
 
L’ORIGINE DE LA MASSE.
 
 
Comment expliquer que certaines particules soient massives et d’autres sans masse ?
C’est le challenge de la fin du XXème siècle pour la physique des particules.
 
L’explication fait intervenir la notion de symétrie.
 
Au tout début de l’Univers, toutes les particules étaient toutes sans masse.
Dans la théorie développée par Higgs et ses collègues, l’existence d’un champ scalaire induit une brisure spontanée de symétrie quand l’univers s’est suffisamment refroidi.
 
 
 
 
 
 
Ce champ scalaire (appelé champ de Higgs) est présent dans tout l’Univers.
Il est responsable de la brisure de symétrie de la force électrofaible.
Il donne une masse aux bosons Z et W.
Les fermions élémentaires (électrons, quarks) interagissent avec ce champ et acquièrent une masse.
 
Le potentiel de ce champ scalaire a la forme d’un chapeau mexicain.
L’état de plus basse énergie (où la bille sera à l’équilibre) n’est pas au centre, mais à un point dont le champ n’est pas nul, dans le creux du chapeau : :  l’état stable correspond à une valeur non-nulle de ce champ présent dans tout l’univers.
 
 
 
 
 
 
Le champ de Higgs (boson de Higgs) est essentiel :
·        Il permet d’assurer la viabilité de la théorie des interactions fondamentales (le modèle standard).
·        Il permet de différencier les forces électromagnétique et faible.
·        Il donne de la substance à la matière en procurant une masse à certaines particules.
·        Il introduit la notion de vide au cœur de notre récit de l’Univers.
 
 
Le photon n’interagit pas avec le champ de Higgs, sa masse est donc nulle et sa portée infinie.
 
 
 
Le champ de Higgs apparaît 10-12 sec après le BB.
 
 
 
Voici comment on pourrait représenter une brève histoire de l’Univers telle qu’on l’imagine en ce début de XXIème siècle.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LA DÉCOUVERTE DU BOSON DE HIGGS.
 
 
Quelques étapes qui ont mené à la découverte du Higgs.
 
1964 ; Brout, Englert et Higgs élabore le mécanisme de brisure de symétrie électrofaible introduisant le champ scalaire
1983 : les bosons Z et W sont découverts au CERN
1995 : découverte du quark top au Tevatron de Chicago
2012 : découverte du boson de Higgs au LHC (CMS et ATLAS) après des millions de milliards de collisions et des centaines de millions de collisions intéressantes stockées pour analyse détaillée.
 
 
En fait on cherchait la signature de la présence d’un boson de Higgs dans une collision ; il y en a de plusieurs types, en fait 5.
Lorsque le Boson de Higgs se désintègre, il émet 2 particules qui vont dans deux directions opposées : soit
 
·        Une paire de photons gamma, rare (point violet)
·        Une paire de bosons Z, très rare (bleu) qui va donner ensuite un mode très rare à quatre leptons
·        Une paire de quarks bottom et anti bottom, abondant (noir)
·        Une paire de leptons Tau, abondant (rouge)
·        Une paire de bosons W, très abondant (vert) qui va donner ensuite un mode à 2 leptons et 2 neutrinos.
 
Courbe représentant les probabilités en fonction de la masse supposée du Higgs, d’avoir les différents types de désintégrations du Higgs.
 
 
 
 
Et les équipes de CMS et ATLAS se mirent à entasser les évènements avec le succès que l’on sait : le 4 Juillet 2012, annonce officiel de la présence du boson de Higgs, cela vous a été relaté sur ce site en presque direct.
 
 
 
 
Mais en fait , bien avant, on supposait cet heureux dénouement, comme notre conférencier Yves Sirois, fêtant avec ses collègues du labo la présence de Higgs dès le 14 Juin dans la désintégration ZZ en 4 leptons (d’où le titre 4l).
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Je ne peux m’empêcher de vous remontrer les graphes indiquant la présence de cette particule aux alentours de 125GeV.
 
La présence du boson de Higgs est annoncée dans ces deux petites bosses figurant sur la distribution des évènements en fonction des masses des particules.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Il est intéressant (et fondamental) de noter, que cette découverte confirme les masses des particules existantes, comme on le voit sur ce graphique.
 
 
Il y a excellente correspondance avec le modèle standard (MS).
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CONCLUSION.
 
 
Le champ de Higgs a permis de valider le modèle standard en faisant acquérir aux particules une masse.
 
Cela nous permettra t-il d’aller encore plus loin vers une grande unification alliant l’électrofaible et la force forte, puis de façon ultime en incluant la gravitation ?
 
 
Mais nous avons encore quelques ( !) questions en suspens notamment :
·        l’asymétrie matière/antimatière
·        la nature de la matière noire
·        l’explication de l’énergie noire
·        etc…
 
Bref encore du travail pour les astrophysiciens du XXI ème siècle.
 
 
Et la suite ?
 
C’est la super symétrie (SUSY).
 
Cette théorie prédit que chaque particule possède une particule « supersymétrique » de masse différente, ce modèle pourrait combler certaines lacunes du modèle standard. Elle pourrait permettre de relier fermions et bosons.
 
Bref un nouveau champ d’étude pour le LHC.
 
 
Merci à Yves Sirois pour cette époustouflante présentation.
 
 
 
 
POUR ALLER PLUS LOIN.
 
 
Le site du LHC en français.
 
Découverte d'une nouvelle particule au CERN: entretien avec Yves Sirois, physicien des particules au CERN
 
Le boson de Higgs enfin découvert ! article de La Recherche.
 
Un nouveau bébé boson est né pesant autour de 126 GeV. Bien fait
 
Brisure spontanée de symétrie et l’unité des lois de la nature par F Englert, très bien expliqué
 
Le modèle standard par G Villemin.
 
http://sciencetonnante.wordpress.com/2011/11/21/le-boson-de-higgs-explique-a-ma-fille/
 
Modèle Standard, succès et limites par Martin Pohl de l’Université de Genève
 
Le Modèle Standard : une théorie géométrique des interactions fondamentales
 
Higgs, le boson qui rend l’Univers lourd par Daniel Suchet.
 
LHC, Spinning out of control!
 
 
Video de Y Sirois de 15 min sur le LHC et Higgs.
 
 
 
Sur votre site préféré :
 
Le LHC et les 2 infinis : CR de la conférence SAF de M Spiro du 14 Avril 2010. (22/04/2010)
 
LHC, le boson de Higgs et après ? : CR conf M Spiro RCE2012 du 2 nov 2012
 
François VANNUCCI  : Le LHC et la masse cachée de l'Univers ; CR conf. du 8 Juillet 2009 (06/08/2009)
 
Visite Obs Genève et CERN LHC : CR du voyage SAF des 14 et 15 dec 2010. (25/12/2010)
 
La longue traque du boson de Higgs : CR de la conf. SAF  de G C.-Tannoudji du 5 Mai 2012.(18/05/2012)
 
Le Boson de Higgs : Enfin sa découverte est annoncée. (17/07/2012)
 
Le boson de Higgs et le LHC : CR de la conférence IAP de B Mansoulié le 5 Fev 2013. (02/03/2013)
 
Le LHC, chasseur de Higgs : CR de la conf. De Y Sirois aux RCE 2010 le 12 nov 2010. (03/12/2010)
 
 
 
 
Bon ciel à tous
 
 
Jean Pierre Martin   Président de la commission de cosmologie de la SAF
www.planetastronomy.com
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