NOMBRES - Curiosités, théorie et usages

 

Accueil                           DicoNombre            Rubriques           Nouveautés      Édition du: 03/05/2019

Orientation générale        DicoMot Math          Atlas                   Références                     M'écrire

Barre de recherche          DicoCulture              Index alphabétique       Brèves de Maths    

            

Physique nucléaire

 

Débutants

Général

PARTICULES

 

Glossaire

Atome

Glossaire

Neutrino

 

 

INDEX

 

Particules

 

Mécanique quantique

 

Sciences

 

Introduction

Électrons

Nucléons

Nomenclature

Neutrinos

Quarks

Caractéristiques

Unification

Forces

Masse

Champ de Higgs

 

Sommaire de cette page

>>> Première approche

>>> Place dans le modèle standard

>>> Une première analogie célèbre

>>> Approche intuitive

>>> Coin technique

>>> Un peu plus …

>>> Ce qu'il faut retenir

  

 

 

 

 

La physique quantique est très surprenante, et la bien comprendre est un défi, même pour les savants du domaine. En témoigne cette anecdote:

Le prix Nobel de physique 1965, Richard Feynman termine son cours de physique quantique à Berkeley et lance comme une boutade:

 

Si vous m’avez compris, c’est ce que je n’ai pas été clair.

 

Voir Pensées & humour

 

 

Boson et Champ de HIGGS

Boson et champ de Brout-Englert-Higgs (BEH)

 

En juillet 2012, le CERN confirme leur existence.

Comment expliquer "simplement" le phénomène Higgs qui confère la masse à la matière.

Analogies pour tenter d'en avoir une petite idée.

Peter Higgs

(physicien britannique, né en 1929)

 

Première approche

D'après le modèle standard de la physique des particules, la matière (les fermions) et les particules, vecteur de forces (les bosons de jauge), ne peuvent avoir de masse.  Les théories de jauge s’écrivent nécessairement avec des bosons de masse nulle, ce qui signifie que l’interaction a en principe une portée infinie. C'est en interagissant avec un nouveau champ (le champ de Higgs) et ses bosons vecteurs (les bosons de Higgs) que les différentes particules élémentaires acquéraient leur masse. La détection expérimentale de particules ayant les caractéristiques d'un boson de Higgs, a été annoncée au L.H.C. en juin 2012.

Oups, je n'ai rien compris ! – Alors, voyons cela tranquillement

 

 

BOSON de HIGGS – Place dans le modèle standard

 

Le modèle standard de la mécanique quantique comporte douze particules dont quatre types de bosons, lesquels sont les vecteurs des forces fondamentales (force carriers) de l'Univers.

 

Le boson de Higgs est une particule de plus, celle qui permet d'expliquer pourquoi certaines particules fondamentales ont une masse.

 

Les média l'avaient baptisée: particule-dieu (God particule) – Un nom, pas très heureux selon certains scientifiques.

L'enjeu de sa découverte est majeur. Elle pourrait orienter la formalisation de la modélisation au-delà du modèle standard.

 

 

Ce boson est le quantum d'excitation du champ de Higgs. Une sorte de champ de forces, un peu comme le champ gravitationnel, mais, agissant à l'échelle microscopique et conférant de la masse.

 

Boson et champ sont les deux facettes de la dualité onde-particule qui existe dans le monde quantique.

 

 

Une première analogie célèbre

 

En 1993, pour expliquer ce phénomène, David Miller, physicien à l'University College London (Royaume-Uni) a proposé cette analogie devenue célèbre:

 

Imaginez une soirée, où tous les invités seraient répartis uniformément dans la pièce. Soudain, une célébrité arrive. Comme de nombreuses personnes souhaitent lui parler et se pressent autour d’elle, cela ralentit son mouvement dans la pièce, donnant l’impression qu’elle a plus de mal à se déplacer, et donc qu’elle est plus massive qu’un visiteur quelconque.

 

Autres analogies ci-dessous

 

Boson et Champ de HIGGS – Approche intuitive

 

Physique quantique

La physique de l'infiniment petit, de l'intimité de la matière, est très bien décrite par les mathématiques, par des équations.

Mais les phénomènes sont difficiles (impossibles) à interpréter.

Il existe de nombreux paradoxes qui défient notre conceptualisation. Par exemple: comment deux particules peuvent échanger de l'information instantanément à des milliers de kilomètre, bravant le plafond de la vitesse de la lumière? (Intrication quantique).

 

Conséquence: ne vous attendez pas à une description précise du champ de Higgs. Nous allons procédez avec des analogies qui approchent le concept.

 

Ondes radio

Nous ne sommes plus impressionnés par le fait que nous recevons, la radio, la télé ou le téléphone n'importe où dans le monde.

En effet, les ondes électromagnétiques se propagent partout.

Il suffit d'un appareil adéquat, capable de capter les ondes et de réagir, pour rendre les sons, les images perceptibles à l'homme.

L'espace est baigné en permanence par des ondes. Ce "bain d'ondes" est appelé un champ d'ondes.  Ce champ est là invisible, discret,  et on est capable de le faire se manifester n'importe où à l'aide d'un appareil.

 

Gravitation

Autre champ invisible: le champ gravitationnel.

Lorsque vous tombez, vous subissez les effets du champ gravitationnel terrestre. Ce champ attire les objets vers le centre de la Terre; il explique aussi pourquoi la pomme tombe ou encore pourquoi la Lune tourne autour de la Terre.

Mais, au fait, quelle est la constitution de ce champ ? Comment fait-il pour instantanément dire depuis la Terre, comment la Lune, si lointaine, doit se comporter ? Mystère.

Magnétisme

Un autre champ physique, que pratiquement tout le monde connait, c'est le champ magnétique. Là, des aimants agissent pour s'attirer ou se repousser mutuellement.

Il est possible de visualiser un champ magnétique en saupoudrant de la limaille de fer à proximité d'un aimant. Une aiguille aimantée prendra la direction visualise sur ce champ. Pensez à l'aiguille de la boussole dans le champ terrestre. Un champ que vous ne voyez pas, que vous ne ressentez pas et pourtant il existe partout. L'aiguille réagit.

Matière

Un autre champ qui explique le monde qui nous entoure est le champ électrique. Si vous avez déjà frotté un ballon sur votre gilet et que vous l'avez collé au plafond, vous vous êtes servi de champs électriques. Il existe deux types de charges électriques, les protons et les électrons, qui expliquent en grande partie ce qui se passe sur Terre. Par exemple, l’attraction entre protons et électrons explique pourquoi votre corps et une chaise restent ensemble; tandis que la répulsion entre électrons explique pourquoi votre fond ne s'enfonce pas dans le fauteuil. La répulsion entre les protons est l’origine de l’énergie d’une bombe à fission nucléaire et de centrales nucléaires.

Ce champ se manifeste, mais en soi il est invisible. Il nous entoure.

 

Les billes dans le sable

Changeons de paradigme pour nous rapprocher de notre champ de Higgs

Sur un billard, les boules roulent librement. Mais, dans le sable, elles roulent plus ou moins difficilement.

Le sable peut être assimilé  à un champ dans lequel se trouvent les boules. Le fait que la boule soit dans le "champ" de sable confère une propriété à la boule: la propriété de rouler plus ou moins facilement.

 

Le champ de Higgs

Le champ de Higgs est comparable au sable et les balles aux particules élémentaires (les bosons sauf les électrons).

Les particules placées dans ce champ (comme les boules dans le sable) se dotent alors d'une propriété que l'on appelle la masse.

L'électron est exempté, comme si dans le bac à sable, la boule-électron était en lévitation et se déplaçait sans effort. Ou, pour le champ de Higgs, l'électron ne prend pas la propriété de masse.

 

Bateaux sur l'eau

Autre analogie: la mer est le champ qui freine les bateaux selon qu'ils sont plus ou moins chargés.

Analogie tout aussi délicate que celle du sable, car, en l'espèce, c'est le champ de Higgs qui confère la masse.

 

Apparition du champ

Le champ de Higgs était nul à l'origine des temps. Il s'est créé peu après le Bigbang pur atteindre l'intensité que nous lui connaissons actuellement; avec pour effet d'attribuer de la masse aux particules.

 

Observation

Quasiment impossible à observer. Avec le microscope, scrutant l'intimité de la matière, le plus puissant actuellement (collisionneur de hadrons du CERN), on a pu révéler une légère anomalie dans une certaine courbe de répartition des collisions qui témoigne de l'existence du boson de Higgs.

Voir Métaphore du ballon de foot pour les quarks / Boule et champ électromagnétique

 

 

Boson de Higgs – Coin technique

 

Les quatre forces fondamentales

Deux de ces forces nous sont assez familières:

*    la force électromagnétique et

*    la force de gravité.

Les deux autres agissent seulement au niveau subatomique:

*    la force nucléaire forte, responsable de la cohésion des noyaux atomiques, et

*    la force nucléaire faible, qui intervient dans les processus de fission nucléaire.

 

*      les photons sont les bosons de jauge de l'interaction électromagnétique (force 1, référence),

*      les gravitons si existence démontrée (force 10-36 ),

*      les gluons ceux de l'interaction forte (force 100), et

*      les bosons W et Z ceux de l'interaction faible (force 10-11).

 

À la recherche de l'unification

Maxwell a compris que le champ électrique et le champ magnétique n’étaient que deux manifestations différentes d’un même objet : le champ électromagnétique, lequel est également responsable de la lumière.

Étape suivante: unifier l’électromagnétisme et la force nucléaire faible en une seule théorie.

Prometteur, mais le photon n'a pas de masse alors que le boson W en a une.

 

*      Le formalisme mathématique de l'unification de l'électromagnétisme est appelé théorie de jauge.

*      Appliquée au photon, cette théorie implique une masse nulle

 

*      Pour poursuivre l'unification, on amende cette théorie. Il y a un hic! Les autres bosons ont une masse. La masse du boson W est cent fois plus grande que celle du proton.

 

 

C'était avant, longtemps avant

Juste après le Bigbang et ses températures très élevées, les interactions électromagnétiques et les interactions faibles se confondaient en interactions électrofaibles.

Avec le refroidissement, elles se sont séparées et les bosons W et Z ont acquis une masse, baignés dans le champ e Higgs.

 

*      Idée! Introduire une particule supplémentaire qui confère artificiellement la propriété de masse.

*      Les bosons sont baignés dans une sorte de mélasse (ou dans du sable) qui les ralentissent et leur communiquent une masse fictive.

 

 

Boson de Higgs – Un peu plus …

 

Boson de Higgs

Particule élémentaire. Quantum du champ de Higgs.

Existence postulée en 1964 indépendamment par les physiciens Robert Brout, François Englert, Peter Higgs  et quelques autres. D'où le nom parfois donné de boson BEH au lieu de boson de Higgs.

Découverte confirmée expérimentalement en 2012. Peter Higgs et François Englebert (Prix Nobel 2013).

 

Masse propre: autour de 125 GeV c-2.

Soit, environ 130 fois la masse d'un atome d'hydrogène.

 

Explique pourquoi certaines particules, celles qui transmettent les forces (bosons de jauge), ont une masse et d'autres pas.

Ce boson donnerait une masse non nulle aux bosons W et bosons Z  (responsables de l'interaction faible). En gros, elle expliquerait la masse des particules telles les quarks et par conséquent la masse des protons et neutrons; et donc, de toute la matière.

 

 

Symétrie: régularités dans le comportement des particules (loi de conservation).
Aussi: invariance: aucun effet observable lié à un changement.
Brisure de symétrie = "ce n'est pas pareil !"

 

Théorie quantique des champs: explique pourquoi les équations qui décrivent les lois physiques sont invariantes par rapports à des changements des coordonnées, des vitesses, des phases, d'énergie etc. et aussi par changement de certaines des particules Ces lois doivent être valables en tout point de l'Univers.

 

Force entre deux fermions (spin demi-entier): pour cela, ils échangent des bosons (voir Analogie des patineurs).

Symétrie de jauge: les transmetteurs de force (bosons de jauge) ont une masse nulle. Comment ces bosons W± et Z°, transmetteurs des forces acquièrent-ils une masse? Alors que ce n'est pas le cas pour le photon, sans masse ? La symétrie n'est par respectée !

 

Invariance de jauge = ça ne change pas avec l'échelle
Exemple: Weil a émis l'hypothèse que l'invariance sous un changement d'échelle (ou de « jauge ») serait en fait une symétrie locale de la relativité générale.

 

Masse des bosons: les physiciens ont dû inventer un mécanisme pour briser la symétrie de jauge permettant aux W± et Z° d'acquérir une masse.

L'idée fut de postuler l'existence d'un nouveau champ, surnommé champ de Higgs.

 

 

Bonus

 

Brisure de symétrie (une idée de la -)

Gauche: hautes énergies, la balle est au centre.

Centre et droite: à basses températures, la forme reste symétrique mais une bosse se forme qui entraine la balle d'un côté ou de l'autre.

 

Unifications des forces

 

Phénomènes qui n'apparaissent qu'à très hautes températures ou énergies, peu après le Bigbang.

 

Les retrouver expérimentalement nécessite la création de ces grandes énergies au sein des collisionneurs.

 

 Ce qu'il faut retenir

À la recherche des forces unifiées aux premiers instants de l'Univers, les physiciens remontent le temps et comprennent l'unification des forces électromagnétiques. Leur modèle induit des médiateurs de forces (ici, le photon) de masse nulle.

Pour inclure  les forces nucléaires faibles, dont les bosons sont massiques, le modèle doit être aménagé. On imagine un temps lointain où ces bosons avaient une masse nulle et ils ont développé une masse plus tard.

Pour l'expliquer, on invente un champ de type "mélasse" qui ralentit les bosons et leur confère l'illusion d'une masse. C'est le champ de Higgs et son boson médiateur associé (et son mystère quantique d'onde-corpuscule).

La masse des bosons passe en chaine aux quarks, aux neutrons et protons et, enfin à la matière toute entière.

En 2012, avec un immense et puissant accélérateur, les savants ont mis en évidence une discrète anomalie qui témoigne du champ de Higgs. Oui, le boson de Higgs existe, mais il recèle encore bien des mystères ! Quelle est l'origine de tout cela et pourra-t-on un jour procéder à une unification plus profonde des forces ?

 

 

 

 

 

 

Retour

*    Masse des particules

Suite

*    Champs

*    Nombre de masse et numéro atomique

*    Particules – Forces

*    Autres pages

*    ParticulesIndex

Voir

*    Atomes dans l'univers

*    Atomes lourds

*    Champs

*    Collisionneur

*    Cordes

*    Effet Edison

*    Éléments chimiques

*    Énergie - Masse

*    Masse des particules

*    MatièreGlossaire

*    Mécanique quantique

*    Neutrino

*    Particules

*    Planck

*    Rapport de forces

*    Unification des forces

Sites

*        Boson de Higgs – Wikipédia

*        Boson de Higgs – CERN

*        Le boson de Higgs expliqué à ma fille – David – Avec analogie de la mélasse

*        Quelques éléments de physique théorique

*        Le boson de Higgs expliqué à ma fille – Science étonnate

*       Higgs Boson for Dummies, sort of (PhD Comics) -  PhD TV – Video animation (anglais)

*       Théorie de Jauge** – Henri Videau d'après Adel Bilal – Pour connaisseurs ou pour avoir une idée des équations mises en jeu.

Cette page

http://villemin.gerard.free.fr/Science/Higgs.htm