Mise à jour le 24 Avril 2017

CONFÉRENCE DÉBAT

« PHYSIQUE DES PARTICULES
LE MODÈLE STANDARD ET AU-DELÀ »

À L’ACADÉMIE DES SCIENCES   INSTITUT DE FRANCE
18 Avril 2017      23 Quai Conti Paris 75006

Photos : JPM pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)

BREF COMPTE RENDU

La grande salle des séances de l’Académie pour cet évènement exceptionnel.

Un prestigieux programme.

Vidéo de l’évènement : voir page d’accueil pour toutes les vidéos.

Plan du colloque.

1.     Introduction par Pierre Fayet

2.    Entre expérience et théorie, le chemin parcouru…par Jean-Marie Frère

3.    Le LHC et le Modèle Standard par Louis Fayard

4.    Le boson de Higgs et les nouvelles perspectives de physique au LHC par Yves Sirois

5.    Illuminating the dark : search for dark matter in the Milky Way par Laura Baudis

La physique des particules cherche à découvrir les constituants élémentaires de la matière et à étudier leurs interactions, et leurs propriétés de symétrie. Avec les électrons et les quarks, avons-nous atteint l'étape ultime, comme le postule la théorie actuelle, appelée Modèle Standard ? La dernière particule élémentaire de ce modèle, le fameux boson de Brout-Englert-Higgs associé à l'origine des masses, a été mise en évidence au LHC du CERN en 2012. L'énergie très élevée de ce grand collisionneur permet un pouvoir de résolution de l'ordre de 10-¹⁹ m.

Les lois physiques découvertes à ce niveau microscopique régissent aussi l'évolution de l'Univers, conduisant à une connexion remarquable entre l'extrêmement petit et l'extrêmement grand. Un certain nombre de questions demeurent cependant sans réponse, motivant une grande partie des recherches actuelles. Les orateurs nous parleront des neutrinos à l'identité fluctuante, du LHC et des propriétés du boson de Higgs, des recherches d'autres bosons et de la supersymétrie, et des expériences visant à mettre en évidence la matière sombre qui semble omniprésente dans l'Univers mais dont la nature reste toujours un mystère.

Une remarque, toutes les présentations étaient brillantes et très intéressantes, mais sont passées très (trop ?) vite.

La prise de notes était difficile, il faudra se reporter aux présentations mises en ligne avec la vidéo de l’évènement pour avoir plus de détails.

1 ) INTRODUCTION PAR PIERRE FAYET.

Académie des sciences, Laboratoire de physique théorique de l’École normale supérieure, Paris

Pierre Fayet est un physicien des particules, directeur de recherche au Laboratoire de physique théorique de l'École normale supérieure et membre de l'Académie des sciences.

Ses travaux concernent la supersymétrie, la possibilité de dimensions supplémentaires de l’espace-temps, et la recherche de nouvelles particules et de nouvelles forces.

Il est notamment à l'origine de l'extension supersymétrique du Modèle Standard, où chacune des particules connues serait associée à un partenaire plus lourd actuellement inconnu.

La plus légère de celles-ci, le neutralino, pourrait être un composant de la mystérieuse matière sombre de l'Univers.

Il nous brosse un portrait du modèle standard (MS) de la physique des particules, qui a mené à la découverte du boson de Higgs.

Le MS pose de nombreuses questions comme :

·         La nature des neutrinos

·         Symétries et brisures de symétries

·         Supersymétrie entre bosons et fermions ?

·         Prépondérance de la matière sur l’antimatière, pourquoi ?

·         Gravitation quantique ?

·         Recherche de l’unification des interactions

·         Possible existence de nouvelles particules et de nouvelles forces

·         Nature de la matière sombre

·         Etc….

En conclusion, la physique des particules progresse par un va-et-vient constant entre théorie et expérience.

2 ) ENTRE EXPÉRIENCE ET THÉORIE, LE CHEMIN PARCOURU…PAR JEAN-MARIE FRÈRE

Professeur à l’Université libre de Bruxelles, Belgique

Jean-Marie Frère est un physicien des particules, professeur à l'Université libre de Bruxelles où il dirige le service de physique théorique.

Il s'intéresse principalement aux interactions faibles, à la brisure de la symétrie CP et au sens du temps, à l'origine de la dissymétrie matière-antimatière, et à la physique des neutrinos.

Il est particulièrement attentif à la démarche empirique, recherchant dans les données expérimentales les écarts qui pourraient s'avérer révélateurs.

L'observation de phénomènes rares, comme les désintégrations nucléaires, a conduit à supposer l'existence de particules lourdes, vecteurs des interactions faibles, et à la construction du Modèle Standard de la physique des particules.

Ces bosons W± et Z furent observés au CERN des années plus tard. L'origine de leur masse avait déjà conduit à proposer l'existence du boson de Brout-Englert-Higgs, dont la découverte récente a été saluée comme une victoire retentissante, tant de la démarche théorique que de l'ingéniosité des expérimentateurs et des constructeurs de machines.

Si les prédictions du Modèle Standard ont été remarquablement validées, bien des questions n'ont pas trouvé de réponse.

Ou, plutôt, les succès de notre description du monde nous ont enhardis à poser de nouvelles questions.

Pourquoi l'antimatière a-t-elle très largement disparu ?

Pourquoi, outre les particules habituelles constituant la matière, deux autres familles sont-elles apparues, et leur nombre est-il lié à une orientation du temps déjà pour une particule isolée ?

Curieusement, les vérifications spectaculaires récentes nous laissent dans un certain désarroi, les prédictions théoriques fermes laissant la place à un univers de possibles.

Les neutrinos, de masse infime et de nature changeante, sont-ils une des clefs de ces problèmes ?

Des découvertes majeures ont été faites dans ce domaine et un vaste programme expérimental est en cours pour mieux élucider leurs propriétés

·         Aujourd’hui, nous nous retrouvons devant un nombre de paramètres que nous devons expliquer

·         La question des masses s’est déplacée, au lieu de qui donne la masse ? nous nous interrogeons sur l’origine du spectre étendu des masses des fermions.

·         La nature du boson scalaire (Higgs), est-il le seul ? est-ce le premier signe de la super symétrie ?

·         Nous voulons expliquer l’évolution de l’Univers

·         L’asymétrie entre matière et antimatière, les neutrinos y joue-t-il un rôle ?

·         La nature de la matière noire

·         L’unification entre la gravitation et les autres forces fondamentales.

À lire sur Internet

Le sens du temps microscopique de JM Frère.

3 ) LE LHC ET LE MODÈLE STANDARD PAR LOUIS FAYARD

Directeur de recherche au Laboratoire de l’accélérateur linéaire, Orsay

Louis Fayard est directeur de recherche au Laboratoire de l'accélérateur linéaire d'Orsay. Sa carrière scientifique est jalonnée de résultats de grande importance, en particulier dans l'étude des interactions électrofaibles.

Il travaille actuellement dans l’expérience ATLAS au CERN et a pris part aux recherches ayant conduit à la découverte du boson de Higgs.

Il avait précédemment participé aux expériences UA2 et NA48 au CERN, la première ayant contribué à la découverte des bosons W± et Z, messagers des interactions faibles, et la seconde à la mesure de la violation directe de la symétrie CP reliant la matière à l'antimatière.

Les premières discussions concernant le grand collisionneur hadronique LHC du CERN ont commencé vers 1984.

Les efforts de conception, de construction et d'analyse qui ont eu lieu pendant plus de 30 ans ont notamment abouti en 2012 à la découverte du boson de Brout-Englert-Higgs, signature du mécanisme de brisure de la symétrie électrofaible couronné par le prix Nobel de physique 2013.

L'évolution de la physique des particules pendant cette période, confirmant le Modèle Standard, sera aussi présentée, ainsi qu'un aperçu très bref des projets de collisionneurs futurs.

LHC = Large Hadron Collider

Hadron vient du grec « hadros » qui veut dire fort, dans notre cas cela désigne les particules sensibles à l’interaction forte.

Les hadrons s’opposent aux leptons.

CORRESPONDANCE ÉNERGIE / TEMPÉRATURE :

Le boson H se désintègre très vite, en 10^-22 secondes !!

Les bosons Z ou W encore plus vite, en 10^-25 secondes.

Futur à long terme.

·         Les collisionneurs à protons circulaires permettent les hautes énergies, limite : les aimants

·         Collisionneurs à électrons circulaires ou linéaires permettraient d’étudier des composants bien définis et ainsi d’étudier le modèle standard

Conférence vidéo de L Fayard sur le boson de Higgs du 15 Mai 2014 à l’IHES.

Le mécanisme du BEH et son boson scalaire par L Fayard, doc pdf.

4 ) LE BOSON DE HIGGS ET LES NOUVELLES PERSPECTIVES DE PHYSIQUE AU LHC PAR YVES SIROIS

Directeur de recherche à l’École polytechnique, Palaiseau

Yves Sirois est directeur de recherche au Laboratoire Louis Leprince-Ringuet de l'École polytechnique, et a joué un rôle important comme responsable français pour l'expérience CMS au CERN.

Après une expérience de désintégration rare des muons au laboratoire TRIUMF de Vancouver, il s'est lancé dans l'étude des collisions d'ions lourds au CERN qui permettent d'atteindre les conditions d'un plasma de quarks et de gluons.

Puis il a étudié la structure du proton à courte distance par collisions d'électrons dans l'expérience H1 à DESY, Hambourg, dont il est devenu le responsable adjoint.

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.

Après la découverte du boson de Brout-Englert-Higgs par les expériences ATLAS et CMS, à une masse correspondant à 125 GeV, à des énergies de collisions proton-proton de 7 à 8 TeV, le collisionneur LHC fournit maintenant des collisions à 13 TeV. Elles permettent l'exploration de nouveaux territoires pour la recherche de bosons de Higgs supplémentaires, de nouvelles résonances au TeV, de matière sombre ou de supersymétrie.

On passera en revue les tout derniers résultats sur le boson, leurs conséquences pour le programme de recherche en cours, ainsi que l'état de l'art pour la recherche de nouvelle physique au LHC

La physique au pied du mur :

·         La consolidation des modèles standards : cosmologie et particules

·         Une série de découvertes majeures : mélange quantique de neutrinos, expansion accélérée de l’Univers, rôle de la matière noire dans les grandes structures, Boson de H et origine des masses.

·         Choc entre Mécanique Quantique et Relativité Générale : paradoxe de l’information perdue dans un TN, paradoxe de la densité d’énergie du vide quantique incompatible avec la cosmo d’un facteur 10¹²².

·         Le boson H associé au champ de Higgs est : lié au rôle du vide dans l’histoire de l’Univers, et à l’origine de la complexité du modèle standard.

En fait on cherche 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. (c’est le principal mode de découverte)

Courbe représentant les probabilités en fonction de la masse supposée du Higgs, d’avoir les différents types de désintégrations du Higgs.

La découverte du boson H fut un triomphe pour la physique :

·         Grâce à elle, nous disposons d’une théorie cohérente et complète jusqu’à l’échelle de Planck (10^-43s).

·         La masse est d’origine quantique et de nature dynamique.

·         Le boson H fait intervenir le vide quantique

·         C’est le triomphe des couplages faibles.

Le champ de Higgs amène à se poser de nouvelles questions :

·         Stabilité du vide

·         Lien avec l’inflation ou l’énergie noire

·         Couplage à la matière noire ?

·         Couplage aux neutrinos ?

·         Problème de la constante cosmologique.

Il faut explorer de nouveaux territoires.

La recherche d’une nouvelle physique au LHC nous permettra d’explorer des territoires nouveaux menant peut être à des réponses et certainement à de nouvelles questions.

"Du Boson de Higgs au Big Bang", par Yves Sirois conf à l’Ecole polytechnique

Champ de Higgs et origine de la matière : CR de la conf. SAF d’Yves Sirois du 11 Sept 2013

Redémarrage du LHC : vers une nouvelle physique ? Par le journal du CNRS.

5 ) ILLUMINATING THE DARK : SEARCH FOR DARK MATTER IN THE MILKY WAY PAR LAURA BAUDIS

Professeur à l’Université de Zurich, Suisse

Ses centres d’intérêt se trouvent à la jonction de l’astrophysique et de la physique des particules. Elle construit des détecteurs pour mettre en évidence la matière noire et les propriétés fondamentales des neutrinos.

Doctorat de l’Université de Heidelberg et post doc à Stanford. Assistante professeur à l’Université de Floride !

En 2007 elle rejoint l’Université de Zurich où elle est professeur à temps plein de physique expérimentale. Elle est membre de l'American Physical Society et du comité scientifique du CERN.

L’un des plus grands défis de la physique modern, est de comprendre la nature de la matière noire, matière dominante dans l’Univers.

Nous avons des preuves depuis longtemps de son existence, sans savoir exactement ce que c’est.

Elle pourrait impliquer de nouvelles particules élémentaires, dont les WIMPs, faiblement interactives.

Celles-ci pourraient être créées au sein d’accélérateurs comme le LHC.

Après une introduction sur la matière noire, et ses possibilités de détection, elle nous parlera du futur.

À l’origine de l’idée même de matière noire se trouve l’astronome Fritz Zwicky.

Il s’intéressait aux mouvements des objets situés à la périphérie de l’amas de Coma, et remarqua que leurs vitesse ne correspondaient pas aux lois de Kepler, au lieu de diminuer à mesure que l’on s’éloignait du centre, elle restait presque constante.

Il y avait autour de cet amas quelque chose de massif et d’invisible.

Il venait de mettre en évidence cette matière noire.

Il ne sera malheureusement pas pris au sérieux à l’époque, vu son caractère un peu « spécial », c’est Vera Rubin, qui redécouvrira plus tard cette matière noire.

La matière ordinaire forme les galaxies, les étoiles, les hommes et le vivant, la matière noire, invisible, elle, forme la structure, le squelette des galaxies.

Comment la rendre visible ? Par exemple :

·         En produisant de nouvelles particules lors de collisions p-p au LHC (Atlas)

·         En détectant le produit de leur annihilation dans le halo galactique ou au centre de la Galaxie

·         Lors des expériences AMS-02 sur l’ISS ou Antares au fond de la Méditerranée

·         Détection indirecte par le télescope Cherenkov ou spatial Fermi (instrument LAT)

·         Lors des expériences Edelweiss à Modane ou Xenon1T au Gran Sasso

D’autres recherches vers une nouvelle physique sont entreprises aussi :

·         Sur moment électrique bipolaire du neutron

·         Sur le moment magnétique du muon

Vont-elles ouvrir une fenêtre vers l’au-delà du Modèle Standard ?

Le LHC en quête de la supersymétrie, article de Sciences et Avenir

The search for the neutron electric dipole moment at the Paul Scherrer Institute

Status of nEDM measurement

Overview of the Fermilab muon g-2 experiment

La SAF en plein travail....(B Lelard SAF, membre de la cosmo et votre serviteur JP Martin)

Jean Pierre Martin .Président de la Commission de Cosmologie de la SAF.

www.planetastronomy.com

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