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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
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Boson et Champ de HIGGS Boson et champ de Brout-Englert-Higgs
(BEH)
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, 1929-2024) |
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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
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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. |
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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. |
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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
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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. |
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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. |
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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. |
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Magnétisme |
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. |
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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. |
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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. |
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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. |
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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. |
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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. |
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Observation |
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Voir Métaphore du
ballon de foot pour les quarks / Boule et champ
électromagnétique
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Les quatre forces fondamentales Deux de
ces forces nous sont assez familières:
Les deux
autres agissent seulement au niveau subatomique:
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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. |
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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. |
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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). 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 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. |
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Bonus
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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. |
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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. |
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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 ? |
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