La recherche et la découverte du boson de Higgs, une aventure...

La recherche et la découverte du boson de Higgs, une aventure humaine exemplaire

Gilles Cohen-Tannoudji

Laboratoire de recherche sur les sciences de la matière (LARSIM CEA Saclay)

www.gicotan.fr

http://www.gicotan.fr/

« Standing ovation » au CERN, le 4 juillet 2012 à l’annonce de la découverte du « boson de Higgs »

06/11/2015Recherche et découverte du boson de

Higgs, une aventure humaine exemplaire2

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)



La quête de l’élémentarité et la course aux hautes énergies

Les inégalités de Heisenberg

Infiniment bref et infiniment petit =infiniment grand en énergie



x

y

z

E t

x p

y p

z p



Vue aérienne du CERN



Le détecteur ATLAS auprès du LHC

La dualité champs/particules

Théorie quantiquedes champs

notionsclassiques :

• particules

de matière

• champs

d’interaction

notions nouvelles :

• particules

d’interaction

• champs de

matière





• Unification possible des interactions faible et électromagnétique (unification électrofaible) avec le modèle des bosons intermédiaires (MBI) massifs

• Mais le champ médiateur de l’interaction électromagnétique (le photon) est sans masse alors que ceux de l’interaction faible (les bosons intermédiaires) sont massifs

• Avec des bosons intermédiaires massifs et sans la propriété à l’origine du succès de la théorie de l’interaction électromagnétique (l’invariance de jauge), le MBI est en échec

• Le défi de l’unification électrofaible: réconcilier l’invariance de jauge et la la masse des bosons intermédiaires

Le défi de l’unification électrofaible et la nécessité du boson



Qu’est-ce que la masse?

2

2E

m

p énergie cinétique

En mécanique classique, il n’y a pas de matière sans masse; il n’y a pas d’énergie sans mouvement; il n’y a pas de limite à la vitesse à laquelle on peut accélérer une particule

En mécanique relativiste, il n’y a pas de matière sans énergie; même au repos, une particule de masse m a une énergie (potentielle) égale à mc2 (c est la vitesse de la lumière); la vitesse de la lumière est indépassable; la masse d’une particule peut être nulle, auquel cas, cette particule se déplace, comme la lumière quelque soit le repère, à la vitesse c

2 2 2 2 4

2

0

2

2

2

0

;

1

;

0

0

v

v v v v

E c m c

E mc

mm

v

c

E m c m

m v c

m E c

p

p

p v

p



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.



• 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 BEH

Qu’est-ce que le vide?



• « 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.» Réponse de Blaise Pascal au très révérend père Noël, recteur de la Société de Jésus, à Paris, 29 octobre 1647 Pascal, Œuvres 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 masse



Le paradigme du chapeau mexicain

Une salle emplie de physiciens bavardant tranquillement est l’analogue d’un espace empli de champ de Higgs

Un scientifique renommé entre dans la salle, créant une perturbation quand il se déplace et attire à chaque pas un groupe d’admirateurs

Ceci accroît la résistance à son mouvement; en d’autres termes, il acquiert une masse tout comme les particules se déplaçant dans le champ de Higgs

Si une rumeur traverse la salleElle provoque le même type attroupement , mais cette fois entre les scientifiques eux-mêmes: un tel attroupement est l’analogue de la particule de Higgs

Mécanisme et boson de Higgs en bande dessinée




Higgs, une aventure humaine exemplaire

Dates Cadre théorique Gravitation Électro

magnétisme

Interaction

faible

Interaction

forte

17ème

siècle

Galilée, Newton Newton

19ème

siècle

Mécanique

analytique,

thermodynamique

statistique

Maxwell

1895-

1898

Rayons X, électron, radioactivité

1900-

1930

Mécanique

quantique

1905-

1915

Relativité Einstein

1930-

1970

Théorie quantique

des champs

Big bang QED Fermi Yukawa

1970-

2012

Théories de jauge CDM Théorie électrofaible de

Glashow, Salam, Weinberg et

Brout, Englert et Higgs

QCD

2012- … Décohérence,

théorie quantique

de l’information,

Holographie

Grande unification? Supersymétrie ? Matière

sombre ?Inflation ?Gravitation quantique ?

Une brève histoire du modèle standard consolidé

20



Le boson BEH, la clé de voûte du modèle standard

Un nouveau grand récit de l’univers et l’héritage du boson



« Le monde est une belle histoire que chaque génération s’efforce d’améliorer. Les tourbillons de Descartes n’ont pas survécu aux progrès de la science ; peut-être pourtant reste-t-il quelque chose de l’attitude mentale qui faisait dire à Descartes Mundus est fabula dans ce que Poincaré appelait plus tard les hypothèses cosmogoniques par lesquelles l’homme ne peut s’empêcher d’essayer de se raconter l’histoire de l’univers et de reconstituer son évolution passée. » Georges Lemaître, L’hypothèse de l’atome primitif (note présentée lors de la séance du 8 février 1948 de l’Académie Pontificale des Sciences, Acta Pontificiae Academiae scientiarum, t.XII, 1948, n° 6, pp. 25-40. (Cité par Dominique Lambert,Un atome d’Univers, op.cit. p. 315)



L’équation d’Einstein sur une locomotive relativiste(Merci à Gérard et Marie-Françoise Rumèbe pour la photo)

• Le modèle cosmologique du « big bang »

– Le modèle « simple » du big bang (Lemaître, Friedman, Robertson, Walker)

• Récession des galaxies lointaines, loi de Hubble

• Abondance relative des éléments léger (nucléosynthèse primordiale)

• Rayonnement diffus de fond cosmologique (RDFC) à environ 3 degrés Kelvin, détecté en 1965

• Constante cosmologique mise à zéro

– Les difficultés du modèle du big bang

• Trop grande homogénéité du RDFC (problème d’horizon)

• Problème de la platitude spatiale de l’univers (problème d’ajustement fin)

• Scénario de l’inflation imaginé pour lever ces difficultés





a(t)

t

Inflation

« Big-bang »Re-inflation

tBB

( ) BBa t t t

( ) exp( / )Pa t t L

( ) exp( / )a t t L

S’il n’y avait pas de constante cosmologique



Mécanisme et boson BEH !

Emission du fond diffus cosmologique

Confinement des quarks et des gluons

( )

( )H

a tR c

a t


Higgs, une aventure humaine exemplaire

E(t)

T=Tc

t=10-12 sT<Tc

t>10-12 s

Transition induite par le mécanisme BEH 10-12 s après le « Big bang »

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Le chapeau mexicain!

T>Tc

t<10-12 s

Conclusion

• Révolutions scientifiques globales

– Pour le moment, nous avons connu deux révolutions scientifiques globales:• Celle de la naissance au XVIIe siècle de la science contemporaine

(Copernic, Galilée, Newton), à l’origine de la révolution industrielle des XVIIIe et XIXe siècles, et parvenue à l’apogée de la physique classique au début du XXe siècle,

• La double révolution, au XXe siècle, de la relativité et des quanta, parvenue à l’apogée actuelle (découverte du boson BEH, résultats du satellite Planck)

– Il y a des signes annonciateurs d’une prochaine révolution scientifique



• Ruptures technologiques– Dans la période préscientifique, les grandes

ruptures technologiques (comme l’invention du feu, de la roue, ou de l’écriture) interviennent indépendamment de la science

– Depuis la naissance de la science contemporaine, ces grandes ruptures technologiques sont intimement liées aux révolutions scientifiques: elles peuvent les précéder (comme l’invention de l’imprimerie), les accompagner (comme la maitrise de l’énergie) ou leur succéder (comme les hautes technologies du numérique)



• Mutations anthropologiques– D’après Michel Serres, les plus récentes grandes mutations

anthropologiques sont liées aux ruptures technologiques que nous avons soulignées (l’écriture, l’imprimerie et le numérique)

– Ces mutations anthropologiques sont caractérisées par l’établissement ou la profonde transformation d’un grand récit de l’univers• Le récit biblique, à l’origine des religions monothéistes

• Le récit rationaliste des lumières

• Le récit que nous venons d’esquisser

– La portée anthropologique de ces récits leur vient du rôle référentiel qu’ils jouent: d’après Ferdinand Gonseth, (reprenant une idée de Jacques Monod), le sujet est un objet porteur d’un projet d’exister, et le référentiel est l’organe du sujet qui lui sert à mettre en œuvre son projet d’exister

– Avec notre organe de la vision (l’œil et le cerveau) nous pouvons voir un objet en lumière visible à l’aide de l’impact de milliards de milliards de photons…



• Dans les expériences du LHC, avec deux photons nous avons pu voir le boson BEH grâce à qui la masse est venue à la matière, une picoseconde après le « big bang »



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