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L’histoire du modèle standard              Dates    Cadre théorique     Gravitation     Électro          Interaction      ...
Modèles standards et révolutions scientifiques• Le premier modèle standard (mécanique newtonienne et  théorie universelle ...
À propos du boson de Higgs• Annonce d’un premier succès de la plus  grande expérience jamais entreprise par  l’homme• Qu’e...
• Le principe de symétrie de Pierre Curie               ("Sur la symétrie dans les phénomènes physiques,                  ...
• En résumé, les symétries caractéristiques des phénomènes ont un intérêt        général incontestable. Au point de vue de...
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Le défi de l’unification électrfaible• Unification possible des interactions faible et  électromagnétique (unification éle...
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• Conséquences des inégalités de Heisenberg      – Quand le nombre de quanta est bien déterminé, par        exemple dans l...
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Le défi théorique de l’unification                 électrofaible relevé avec le mécanisme de     Champ de Higgs           ...
–Dans le vide stable, la valeur moyenne du             champ de Higgs est différente de zéro. Quand             une partic...
Mécanisme et boson de Higgs en bande                                                dessinée                              ...
Prix Nobel 1999 Preuve de la renormalisabilité des   théories de jauge avec ou sans        brisure de symétrie            ...
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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’e...
Les défis du LHC• Énergie maximum (7 TeV) dans le tunnel du LEP= champ de 8,2 tesla• Aimants supraconducteurs; Installatio...
À propos du boson de Higgs• Annonce d’un premier succès de la plus  grande expérience jamais entreprise par  l’homme• Qu’e...
L’émergence des masses, du temps propre                         et de la lumière   • En mécanique classique, la masse préc...
Brisure de la symétrie électrofaible et émergence de la                        lumière• Avant la brisure de la symétrie él...
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Croisière particules 11072012

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  1. 1. Physique des particules, où en sommes-nous? Gilles Cohen-Tannoudji www.gicotan.fr
  2. 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. 3. Physique des particules où en sommes-11/07/2012 L’accélérateur du CERN à Genève nous? 3
  4. 4. L’intérieur du détecteur ATLAS au LHC Physique des particules où en sommes-11/07/2012 4 nous?
  5. 5. Physique des particules où en sommes-11/07/2012 5 nous?
  6. 6. Physique des particules où en sommes-11/07/2012 6 nous?
  7. 7. Physique des particules où en sommes-11/07/2012 7 nous?
  8. 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. 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 délectron 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. 10. Les interactions fondamentales Interaction Particules Paramètres de Champs médiateurs impliquées couplage Forte Quarks Couleur GluonsÉlectromagnétique 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. 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. 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. 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. 14. LEPTONS QUARKS e, , u , c, t e , , d , s, b Constituants L Q élémentairesMédiateurs des  W g Z interactions Photon W+,W- Z0 GluonsBoson 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. 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. 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. 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. 18. • Le principe de symétrie de Pierre Curie ("Sur la symétrie dans les phénomènes physiques, symétrie dun champ électrique et dun champ magnétique", Pierre Curie Journal de Physique t. III, p. 26, septembre 1894) "Je pense quil y aurait intérêt à introduire dans létude 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. 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. 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. 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. 22. Mécanisme de Higgs: brisure spontanée d’une symétrie de jauge • Phénomènes de brisure spontanée de symétrie – Définition générale: on dit que lon 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 nont pas cette symétrie – Cette situation physique est analogue à la circonstance mathématique où lensemble des solutions dune équation a une certaine symétrie alors que chaque solution particulière na pas la symétrie en question. – Les situations de brisure spontanée de symétrie sont fréquentes en physique statistique: elles résultent dun conflit entre la symétrie dune cause principale et la stabilité de létat fondamental (état d’énergie minimum, aussi appelé vide), du système par rapport à des fluctuations incontrôlables (thermiques ou quantiques) qui nont pas la symétrie en question. On a une brisure spontanée de symétrie si létat dénergie extrémale symétrique est instable alors que les seuls états dénergie extrémale stables sont non symétriques Physique des particules où en sommes-11/07/2012 22 nous?
  23. 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. 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. 25. • « Doù lon peut voir quil y autant de différence entre le néant et lespace vide, que de lespace vide au corps matériel ; et quainsi lespace vide tient le milieu entre le matière et le néant. Cest pourquoi la maxime dAristote dont vous parlez, "que les non-êtres ne sont point différents", sentend du véritable néant, et non pas de lespace 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. 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. 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. 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 leUne salle emplie de physiciens dans la salle, créant unebavardant tranquillement est champ de Higgs perturbation quand il se déplacel’analogue d’un espace empli de et attire à chaque pas un groupechamp 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. 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. 30. LEPTONS QUARKS e, , u , c, t e , , d , s, b Constituants L Q élémentairesMédiateurs des  W g Z interactions Photon W+,W- Z0 GluonsBoson 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. 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. 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. 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. 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, lénergie précède logiquement la masse: il y a de lénergie sans masse; il ny a pas de masse sans énergie • En cosmogonie scientifique, lénergie précède temporellement la masse: dans lhistoire de lUnivers, il y aurait eu une époque où aucune particule navait 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 des11/07/2012 34 nous?
  35. 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. 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?
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