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

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’univers
04/12/2012 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 mesons
Physical Review Letters , 13 – 9, p. 321, 31 august 1964
•P. Higgs, Broken symmetry and the masses of gauge boson
Physical 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 CERN
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6. Le détecteur ATLAS auprès du LHC
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 6

7. Le signal observé par le
détecteur ATLAS
04/12/2012 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’univers
04/12/2012 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
standard
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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 l'unification, 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’univers
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11. •Les constituants élémentaires de la matière: les quarks,
et les leptons
•les médiateurs des interactions: les bosons de jauge
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12. Le boson BEH, la clé de voute
du modèle standard
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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-
Justin
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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’univers
04/12/2012 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’expérience
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16. Le paradigme du chapeau
mexicain
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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.
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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 BEH
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19. • « 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, 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 masse
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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 c
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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 le
Une salle emplie de physiciens dans la salle, créant une
bavardant tranquillement est champ BEH
perturbation quand il se déplace
l’analogue d’un espace empli de et attire à chaque pas un groupe
champ 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 dessinée
04/12/2012 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’univers
04/12/2012 Le mécanisme et le boson BEH 22

23. Le complexe d’accélérateurs du CERN:
Une stratégie de développement durable
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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 radiations
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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’univers
04/12/2012 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 deviennent
E~1016 GeV
massifs? L’antimatière disparaît
Théorie unifiée électrofaible, (Glashow, Salam, Weinberg)
3 minutes
Séparation des interactions électromagnétiques et faibles. LA LUMIÈRE
E~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 ans
T~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
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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?
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28. Pour en savoir plus
04/12/2012 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