Mecanisme boson beh
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Conférence donnée à l'Université de Versailles Saint Quentin le 4 décembre 2012

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Mecanisme boson beh Presentation Transcript

  • 1. Le mécanisme et le boson de Brout Englert Higgs Gilles Cohen-Tannoudji Laboratoire de recherche sur les sciences de la matière (LARSIM CEA Saclay) www.gicotan.fr
  • 2. Mécanisme et boson BEH• Annonce d’un premier succès de la plus grande expérience jamais entreprise par l’homme• Qu’est-ce que le modèle standard?• Le mécanisme et le boson BEH• La stratégie gagnante du CERN• Épisode d’un nouveau grand récit de l’univers04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 2
  • 3. « Standing ovation » au CERN, le 4 juillet 2012 à l’annonce de la découverte du « boson de Higgs »04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 3
  • 4. Robert Brout (1928-2011) François Englert et Peter Higgs•F. Englert and R. Brout, Broken symmetry and the mass of gauge vector mesonsPhysical Review Letters , 13 – 9, p. 321, 31 august 1964•P. Higgs, Broken symmetry and the masses of gauge bosonPhysical Review Letters,13 – 16, p. 508, 19 october 1964 Mécanisme et boson BEH (Brout, Englert, Higgs)04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 4
  • 5. Vue aérienne du CERN04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 5
  • 6. Le détecteur ATLAS auprès du LHC04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 6
  • 7. Le signal observé par le détecteur ATLAS04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 7
  • 8. Mécanisme et boson BEH• Annonce d’un premier succès de la plus grande expérience jamais entreprise par l’homme• Qu’est-ce que le modèle standard?• Le mécanisme et le boson BEH• La stratégie gagnante du CERN• Épisode d’un nouveau grand récit de l’univers04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 8
  • 9. 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 Une brève histoire du modèle standard04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 9
  • 10. Les lignes de force du modèle standard• Un nouveau niveau d’élémentarité: les quarks et les gluons• Un principe unificateur: l’invariance de jauge• Un critère de fiabilité: la renormalisabilité qui garantit la possibilité de calculer les effets des corrections quantiques et de comparer les prédictions théoriques à l’expérience• Un mécanisme efficace de brisure de symétrie, le mécanisme de Brout Englert Higgs, à l’origine de la différentiation des masses des particules élémentaires, qui permet lunification, sans les confondre, des interactions électromagnétiques et faibles au sein de la théorie électrofaible• Participation, en collaboration interdisciplinaire avec la cosmologie et la physique statistique à l’élaboration d’un nouveau grand récit de l’univers04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 10
  • 11. •Les constituants élémentaires de la matière: les quarks, et les leptons •les médiateurs des interactions: les bosons de jauge04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 11
  • 12. Le boson BEH, la clé de voute du modèle standard04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 12
  • 13. 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- Justin04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 13
  • 14. Mécanisme et boson BEH• Annonce d’un premier succès de la plus grande expérience jamais entreprise par l’homme• Qu’est-ce que le modèle standard?• Le mécanisme et le boson BEH• La stratégie gagnante du CERN• Épisode d’un nouveau grand récit de l’univers04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 14
  • 15. Le défi de l’unification électrofaible• Unification possible des interactions faible et électromagnétique (unification électrofaible) avec le modèle des bosons intermédiaires (MBI) massifs• Mais sans l’invariance de jauge, le MBI n’est pas renormalisable• Avec l’invariance de jauge, le MBI est renormalisable mais il faut que les bosons intermédiaires soient sans masse• Pour qu’existe une théorie à symétrie de jauge dans l’interaction faible, il faut que tous les constituants élémentaires (les fermions) soient sans masse• Or des bosons intermédiaires sans masse et des fermions sans masse sont en contradiction flagrante avec l’expérience04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 15
  • 16. Le paradigme du chapeau mexicain04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 16
  • 17. 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 des états du champ définis par le nombre de quanta d’énergie-impulsion• Le vide quantique: état fondamental (d’énergie minimum) : état à zéro particule.04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 17
  • 18. • Conséquences des inégalités de Heisenberg – Quand le nombre de particules 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 particules 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 BEH04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 18
  • 19. • « 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.» 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• Dans le vide stable, la valeur moyenne du champ BEH est différente de zéro. Quand une particule se propage dans ce milieu, elle acquiert de la masse04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 19
  • 20. Énergie, quantité de mouvement, masse• En mécanique classique p2 E énergie cinétique 2m• En mécanique relativiste E 2  p 2c 2  m2c 4 p  0  E0  mc 2 mc 2 mv Ev  ; pv  v2 v2 1 2 1 2 c c m0vc m0 E  p c04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 20
  • 21. 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 BEH perturbation quand il se déplacel’analogue d’un espace empli de et attire à chaque pas un groupechamp BEH 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 BEH Mécanisme et boson BEH en bande dessinée04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 21
  • 22. Mécanisme et boson BEH• Annonce d’un premier succès de la plus grande expérience jamais entreprise par l’homme• Qu’est-ce que le modèle standard?• Le mécanisme et le boson BEH• La stratégie gagnante du CERN• Épisode d’un nouveau grand récit de l’univers04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 22
  • 23. Le complexe d’accélérateurs du CERN: Une stratégie de développement durable04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 23
  • 24. 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 radiations04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 24
  • 25. Mécanisme et boson BEH• Annonce d’un premier succès de la plus grande expérience jamais entreprise par l’homme• Qu’est-ce que le modèle standard?• Le mécanisme et le boson BEH• La stratégie gagnante du CERN• Épisode d’un nouveau grand récit de l’univers04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 25
  • 26. E~1019 GeV Horizon passé des événements Inflation? Gravitation quantique? Grande unification? Fin de l’inflation? L’interaction forte se sépare? Les neutrinos deviennentE~1016 GeV massifs? L’antimatière disparaît Théorie unifiée électrofaible, (Glashow, Salam, Weinberg) 3 minutes Séparation des interactions électromagnétiques et faibles. LA LUMIÈREE~200 GeV APPARAÎT MAIS ELLE RESTE EMPRISONNÉE! Mécanisme BEH: les bosons faibles, les quarks et les leptons deviennent massifs Chromodynamique quantique, interactions des quarks par échange de gluons Le plasma de quarks et gluons se condense pour former un gaz de E~1 GeV hadrons (protons, neutrons, mésons,,…) E~2 MeV Nucléosynthèse primordiale 370000 ansT~3000 K Émission du fond diffus LA LUMIÈRE S’ÉCHAPPE! 13,7 milliards Formation des amas de galaxies, des galaxies, des étoiles, des planètes, … d’années T~2.7 K Aujourd’hui Un nouveau grand récit de l’univers 04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 26
  • 27. 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 Big bang QED Fermi Yukawa 1970 des champs 1970- Théories de jauge CDM Théorie électrofaible de QCD 2012 Glashow, Salam, Weinberg et Brout, Englert et Higgs 2012- … Décohérence, Grande unification? Supersymétrie ? Matière théorie quantique sombre ?Inflation ?Gravitation quantique ? de l’information, Holographie Vers un dépassement du modèle standard?04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 27
  • 28. Pour en savoir plus04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 28
  • 29. Gilles Cohen-Tannoudji Michel Spiro Le boson et le chapeau mexicain Un nouveau grand récit de l’univers (À paraître en février 2013)04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 29