{"id":2356,"date":"2011-11-21T00:01:08","date_gmt":"2011-11-20T23:01:08","guid":{"rendered":"http:\/\/sciencetonnante.wordpress.com\/?p=2356"},"modified":"2011-11-21T00:01:08","modified_gmt":"2011-11-20T23:01:08","slug":"le-boson-de-higgs-explique-a-ma-fille","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/2011\/11\/21\/le-boson-de-higgs-explique-a-ma-fille\/","title":{"rendered":"Le boson de Higgs expliqu\u00e9 \u00e0 ma fille"},"content":{"rendered":"

\"\"<\/a>\u00c7a sent le roussi pour le boson de Higgs.<\/del> (Edit du 05\/07\/2012) Le boson de Higgs a semble-t-il \u00e9t\u00e9 trouv\u00e9. Je me suis donc dit qu\u2019il \u00e9tait temps que je me lance un d\u00e9fi : essayer d’expliquer\u00a0en termes simples de quoi il s’agit. D\u00e9couvrir le boson de Higgs (ou infirmer son existence) est en effet l’objectif principal du LHC, le dernier grand collisionneur construit au CERN.<\/p>\n

Puisque les citoyens ont tous contribu\u00e9 \u00e0 la construction de cette fabuleuse machine, tout le monde a le droit d’essayer de comprendre ce qu’on y cherche. Et pour cela, nous allons nous pencher sur les pulsions unificatrices des physiciens th\u00e9oriciens.<\/p>\n

Les 4 forces fondamentales<\/h3>\n

Vous le savez certainement, l’ensemble des ph\u00e9nom\u00e8nes physiques connus peuvent s’expliquer \u00e0 partir de seulement 4 forces dites \u00ab\u00a0fondamentales\u00a0\u00bb. Deux de ces forces nous sont assez famili\u00e8res : la force \u00e9lectromagn\u00e9tique<\/strong> et la force de gravit\u00e9<\/strong>; les deux autres agissent seulement au niveau subatomique : la force nucl\u00e9aire \u00ab forte \u00bb<\/strong>, responsable de la coh\u00e9sion des noyaux atomiques, et la force nucl\u00e9aire \u00ab faible \u00bb<\/strong>, qui intervient dans les processus de fission nucl\u00e9aire.<\/p>\n

Comme les physiciens th\u00e9oriciens sont un peu maniaques, pour eux 4 forces c\u2019est beaucoup trop. Et pour en r\u00e9duire le nombre, on essaye de les r\u00e9unir, on dit aussi \u00ab\u00a0les unifier\u00a0\u00bb. Pour les th\u00e9oriciens, unifier les ph\u00e9nom\u00e8nes permet d’en expliquer les points communs, de r\u00e9duire le nombre d\u2019hypoth\u00e8ses des th\u00e9ories et apporte en g\u00e9n\u00e9ral un \u00e9clairage nouveau.<\/p>\n

A la poursuite de l’unification<\/h3>\n

Un tr\u00e8s bon exemple d\u2019unification r\u00e9ussie, c\u2019est l\u2019\u00e9lectromagn\u00e9tisme. Avant le travail d\u00fb \u00e0 J. C. Maxwell au XIX\u00e8me si\u00e8cle, nous avions le champ \u00e9lectrique et le champ magn\u00e9tique, qui semblaient deux ph\u00e9nom\u00e8nes ind\u00e9pendants. Puis Maxwell a compris qu\u2019ils n\u2019\u00e9taient que deux manifestations diff\u00e9rentes d\u2019un m\u00eame objet : le champ \u00e9lectromagn\u00e9tique, lequel est \u00e9galement responsable de la lumi\u00e8re. Unifier l\u2019\u00e9lectricit\u00e9, le magn\u00e9tisme et la lumi\u00e8re, c\u2019est quand m\u00eame bal\u00e8ze !<\/p>\n

Alors dans les ann\u00e9es 40 et 50, les th\u00e9oriciens ont voulu essayer d\u2019aller plus loin. Et un bon programme c’\u00e9tait d\u2019essayer d\u2019unifier l\u2019\u00e9lectromagn\u00e9tisme et la force nucl\u00e9aire faible<\/strong> en une seule th\u00e9orie. Le m\u00e9lange des deux s’appellerait \u00ab la th\u00e9orie \u00e9lectrofaible<\/strong> \u00bb. Mais construire la th\u00e9orie \u00e9lectrofaible unifi\u00e9e, \u00e7a n’est pas si simple ! Et pour comprendre d’o\u00f9 vient la difficult\u00e9, il faut s’int\u00e9resser aux diff\u00e9rentes particules qui constituent notre univers.<\/p>\n

Le bestiaire des particules \u00e9l\u00e9mentaires<\/h3>\n

On connait actuellement 36 particules, consid\u00e9r\u00e9es (pour l\u2019instant) comme \u00ab \u00e9l\u00e9mentaires \u00bb. Ces particules se divisent en deux grandes cat\u00e9gories : les fermions et les bosons.<\/p>\n

Les fermions<\/strong>, ce sont toutes les particules qui permettent de constituer la mati\u00e8re<\/strong>. Par exemple les \u00e9lectrons, mais aussi les quarks, qui s\u2019assemblent pour former les protons et les neutrons.<\/p>\n

Les bosons<\/strong> eux ne servent pas \u00e0 constituer la mati\u00e8re, mais sont les m\u00e9diateurs des forces<\/strong>. Cela signifie que quand une force s\u2019exerce entre deux particules de mati\u00e8re, cela se fait par l\u2019interm\u00e9diaire des bosons. Pour comprendre ce principe, on peut prendre comme d’habitude une analogie m\u00e9canique.<\/p>\n

\"\"<\/a>Imaginez que vous soyez sur une patinoire avec un ami, immobiles et face-\u00e0-face. Supposons que vous teniez une boule de bowling et que vous la lanciez en l’air \u00e0 votre ami. Quand la boule quitte vos bras, vous \u00eates propuls\u00e9 en arri\u00e8re, par effet de recul.<\/p>\n

Mais quand la boule atterrit dans les bras de votre partenaire, lui aussi se trouve mis en mouvement. Donc apr\u00e8s ce lancer, votre ami et vous, vous vous \u00e9loignez l\u2019un de l\u2019autre : tout se passe comme si la boule de bowling avait \u00e9t\u00e9 le m\u00e9diateur d\u2019une force r\u00e9pulsive entre vous deux.<\/p>\n

Avec les 4 forces fondamentales, c\u2019est pareil : les bosons sont comme des boules de bowling, et servent de messagers des forces. Chacune des 4 forces fondamentales poss\u00e8de ses bosons attitr\u00e9s<\/strong>. Pour la force \u00e9lectromagn\u00e9tique, c\u2019est tout simplement le photon. Pour la force nucl\u00e9aire forte, ce sont les 8 particules appel\u00e9es\u00a0gluons<\/strong> (pour ceux de ma g\u00e9n\u00e9ration, souvenez vous de \u00ab T\u00e9l\u00e9chat<\/em> \u00bb). Pour la force faible, on les appelle les bosons W<\/strong>. Pour la gravit\u00e9, on ne les a jamais mis en \u00e9vidence, mais on les appelle hypoth\u00e9tiquement les gravitons.<\/p>\n

Et si je vous parle de \u00e7a, c’est que pour fabriquer notre th\u00e9orie \u00e9lectrofaible unifi\u00e9e, \u00e7a va coincer au niveau des bosons<\/strong>.<\/p>\n

Le probl\u00e8me de la masse des bosons<\/h3>\n

Revenons \u00e0 notre ambitieux objectif : unifier l\u2019\u00e9lectromagn\u00e9tisme et l\u2019interaction faible. Pour faire \u00e7a, on va profiter d\u2019un petit miracle : en modifiant l\u00e9g\u00e8rement le formalisme math\u00e9matique qui fonctionne tr\u00e8s bien pour l\u2019\u00e9lectromagn\u00e9tisme, on arrive \u00e0 y mettre dedans l\u2019interaction faible. En termes savants, on appelle ce formalisme les th\u00e9ories de jauge<\/strong> : on savait d\u00e9crire l\u2019\u00e9lectromagn\u00e9tisme par une th\u00e9orie de jauge, et on se rend compte qu\u2019avec la force faible, une th\u00e9orie de jauge marche tr\u00e8s bien aussi. Alors, gagn\u00e9e l\u2019unification ?<\/p>\n

En fait il y a un hic. Une th\u00e9orie de jauge nous donne forc\u00e9ment un boson m\u00e9diateur de masse nulle<\/strong>. Pour l\u2019\u00e9lectromagn\u00e9tisme, aucun probl\u00e8me, au contraire, puisque son boson m\u00e9diateur (le photon) est justement de masse nulle. Mais pour la force nucl\u00e9aire faible, pas de chance, on sait que les bosons W ne sont pas de masse nulle<\/strong>. Leur masse est environ 100 fois plus importante que celle du proton. Donc une th\u00e9orie de jauge, \u00e7a n\u2019a pas l\u2019air d\u2019\u00eatre une bonne id\u00e9e pour d\u00e9crire la force faible !<\/p>\n

Et pourtant, le physicien th\u00e9oricien est obstin\u00e9, il tient \u00e0 son unification. Alors les savants ont cherch\u00e9 un moyen de sauver leur th\u00e9orie \u00e9lectrofaible unificatrice, en donnant \u00ab artificiellement \u00bb de la masse aux bosons W. Et c\u2019est comme \u00e7a qu\u2019ils ont invent\u00e9 le m\u00e9canisme de Higgs<\/strong>. Mais avant de voir de quoi qu\u2019il s\u2019agit, je voudrais dire un mot du bien-fond\u00e9 de cet acharnement unificateur.<\/p>\n

Les succ\u00e8s de l’unification \u00e9lectrofaible<\/h3>\n

Nous venons de le voir, \u00e0 premi\u00e8re vue l\u2019unification de l\u2019\u00e9lectromagn\u00e9tisme avec la force faible, \u00e7a ne marche pas. Cela conduit \u00e0 un boson W de masse nulle, alors qu’on sait que \u00e7a n’est pas le cas ! Peut-\u00eatre aurait-il \u00e9t\u00e9 raisonnable de laisser tomber l\u2019id\u00e9e, plut\u00f4t que de s\u2019acharner avec un truc artificiel permettant de sauver notre belle th\u00e9orie. Inventer quelque chose juste pour sauver une th\u00e9orie, \u00e7a rappelle un peu ce que j\u2019\u00e9voquais dans ce billet sur le nombre de dimensions en th\u00e9orie des cordes<\/a>.<\/p>\n

\"\"<\/a>Et pourtant, dans ce cas pr\u00e9cis, l\u2019acharnement unificateur \u00e9tait justifi\u00e9. En effet l\u2019unification \u00e9lectrofaible pr\u00e9dit quelque chose d\u2019in\u00e9dit : en plus des bosons W que l\u2019on connaissait d\u00e9j\u00e0, la th\u00e9orie unifi\u00e9e affirme qu\u2019il existerait un autre boson m\u00e9diateur de la force faible, le boson Z<\/strong>. Cette pr\u00e9diction a \u00e9t\u00e9 faite par les th\u00e9oriciens Glashow, Weinberg et Salam en 1968.<\/p>\n

Et quelques ann\u00e9es plus tard le boson Z a justement \u00e9t\u00e9 mis en \u00e9vidence<\/strong> au CERN ! Indirectement en 1973 (gr\u00e2ce \u00e0 la chambre \u00e0 bulle g\u00e9ante dite Gargamelle<\/em>, voir ci-contre) puis directement en mai 1983.<\/p>\n

Fait exceptionnel, les d\u00e9couvreurs du boson Z ont eu le prix Nobel en 1984, seulement quelques mois apr\u00e8s leur d\u00e9couverte. Quant aux 3 th\u00e9oriciens, ils l\u2019avaient d\u00e9j\u00e0 obtenu en 1979.<\/p>\n

Bref tout \u00e7a pour vous convaincre que l\u2019unification, \u00e7a peut para\u00eetre une marotte de th\u00e9oricien, mais dans ce cas pr\u00e9cis \u00e7a marche quand m\u00eame vachement bien. Cela a permis de d\u00e9couvrir le boson Z dans la th\u00e9orie avant de le trouver par l’exp\u00e9rience. La classe ultime pour un th\u00e9oricien.<\/p>\n

Donner de la masse avec de la m\u00e9lasse<\/h3>\n

Donc pour donner de la masse aux bosons de la force faible, voyons donc ce fameux m\u00e9canisme \u00ab artificiel \u00bb, issu d\u2019une id\u00e9e du physicien \u00e9cossais Higgs, et qui a permis \u00e0 Glashow, Weinberg et Salam de construire leur th\u00e9orie unifi\u00e9e. Mais tout d\u2019abord, que cherche-t-on ? Il faut se rendre \u00e0 l\u2019\u00e9vidence que l\u2019on ne peut pas unifier simplement l\u2019\u00e9lectromagn\u00e9tisme et la force faible. Puisque l\u2019un a un boson m\u00e9diateur de masse nulle et pas l\u2019autre, ce sont clairement des forces diff\u00e9rentes.<\/p>\n

\"\"<\/a>Mais nous allons essayer de faire comme si \u00ab avant \u00bb, elles ne faisaient qu\u2019un. Il s\u2019agit d\u2019une id\u00e9e forte en physique fondamentale : dans les instants recul\u00e9s du Big-Bang, \u00e0 l\u2019\u00e9poque o\u00f9 l\u2019Univers \u00e9tait tr\u00e8s chaud, les forces ne faisaient qu\u2019un<\/strong>, et c\u2019est le refroidissement de l\u2019Univers qui les a fait se dissocier. C’est ce que repr\u00e9sente le sch\u00e9ma ci-contre.<\/p>\n

Nous allons donc avec Higgs chercher un m\u00e9canisme qui permette d\u2019avoir des forces totalement unifi\u00e9es \u00e0 haute temp\u00e9rature, mais dissoci\u00e9es \u00e0 basse temp\u00e9rature ; cette dissociation se manifestant notamment par le fait que les bosons W et Z doivent acqu\u00e9rir une masse \u00e0 basse temp\u00e9rature.<\/p>\n

Pour que les bosons W et Z acqui\u00e8rent de la masse, on va les mettre dans une sorte de m\u00e9lasse.<\/strong> La masse, c\u2019est quelque chose qui s\u2019oppose au changement dans le mouvement, et pour donner une illusion de masse \u00e0 une particule, on peut la faire interagir avec un nouveau champ, qui va jouer le r\u00f4le de la m\u00e9lasse.<\/p>\n

Le champ de Higgs<\/h3>\n

En pratique dans la th\u00e9orie, cette m\u00e9lasse est fournie par un champ, qu\u2019on appelle le champ de Higgs<\/strong>. Toute la difficult\u00e9, c\u2019est de faire en sorte que ce champ cr\u00e9e bien une m\u00e9lasse \u00e0 basse temp\u00e9rature, mais pas \u00e0 haute temp\u00e9rature. Or dites vous bien que la m\u00e9lasse n\u2019est pas l\u2019\u00e9tat naturel d\u2019un champ. Prenez le champ \u00e9lectromagn\u00e9tique, si vous ne faite rien pour le stimuler ou le cr\u00e9er, il sera nul et ne vous freinera pas. On dit que l\u2019\u00e9tat fondamental du champ \u00e9lectromagn\u00e9tique est z\u00e9ro. Mais avec notre champ de Higgs, pour avoir de la m\u00e9lasse sans rien faire, il nous faut justement un champ dont l’\u00e9tat fondamental soit non-nul<\/strong>. Enfin seulement \u00e0 basse temp\u00e9rature, car on ne veut plus de m\u00e9lasse \u00e0 haute temp\u00e9rature.<\/p>\n

\"\"<\/a>Comment faire pour avoir un champ avec toutes ces propri\u00e9t\u00e9s ? C\u2019est ce que fait la construction de Higgs. L\u2019\u00e9tat fondamental d\u2019un champ, c\u2019est son \u00e9tat de plus faible \u00e9nergie. Donc il nous faut un champ dont l\u2019\u00e9tat de plus faible \u00e9nergie n\u2019est pas z\u00e9ro \u00e0 basse temp\u00e9rature. La solution est sch\u00e9matis\u00e9e sur le graphique ci-contre : qui montre l\u2019\u00e9nergie du champ de Higgs \u00e0 haute et basse temp\u00e9rature.<\/p>\n

Nous sommes au bout de notre construction : en introduisant le champ de Higgs avec la bonne forme de l\u2019\u00e9nergie \u00e0 haute et basse temp\u00e9rature, on cr\u00e9\u00e9 la m\u00e9lasse qui va en quelque sorte freiner les bosons W et Z, et donc leur donner de la masse !<\/p>\n

Pr\u00e9cisons en cadeau bonus que l\u2019utilisation du m\u00e9canisme de Higgs permet \u00e9galement de donner de la masse aux autres particules, si on le souhaite. Par contre il n\u2019explique pas du tout pourquoi certaines particules ont une masse \u00e9lev\u00e9e, et d\u2019autres une masse beaucoup plus faible. C\u2019est l\u2019\u00e9pineux probl\u00e8me th\u00e9orique dit de la hi\u00e9rarchie des masses<\/strong>.<\/p>\n

Et le boson de Higgs, il est o\u00f9 ?<\/h3>\n

Mais, au fait, je n\u2019ai parl\u00e9 que du champ de Higgs pour l\u2019instant. Il est o\u00f9 le boson ? Et bien comme toujours en m\u00e9canique quantique, il y a la dualit\u00e9 onde\/corpuscule<\/strong>. De m\u00eame qu\u2019au champ \u00e9lectromagn\u00e9tique on peut associer une particule, le photon, au champ de Higgs on peut associer une particule : le boson de Higgs. Donc si le champ de Higgs existe vraiment, le boson doit exister aussi.<\/p>\n

Si tout cela est vrai, reste \u00e0 le d\u00e9couvrir. Un certain nombre de consid\u00e9rations permettent de le cerner : on est capable de dire quelle masse ce boson devrait approximativement avoir, et si la th\u00e9orie est correcte, le LHC devrait le mettre en \u00e9vidence. Mais si le boson de Higgs n\u2019est pas trouv\u00e9, rien de bien grave. \u00c7a signifie que le m\u00e9canisme de Higgs n\u2019\u00e9tait pas le bon. Il faudra en trouver un autre !<\/p>\n

Je pr\u00e9cise pour les esprits chagrins, que si le boson de Higgs n\u2019est pas trouv\u00e9, \u00e7a ne signifiera nullement qu\u2019on a g\u00e2ch\u00e9 notre argent au CERN. Bien au contraire, l\u2019absence du boson de Higgs sera une d\u00e9couverte scientifique bien plus important et riche que sa pr\u00e9sence !<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

\u00c7a sent le roussi pour le boson de Higgs. (Edit du 05\/07\/2012) Le boson de Higgs a semble-t-il \u00e9t\u00e9 trouv\u00e9. Je me suis donc dit qu\u2019il \u00e9tait temps que je me lance un d\u00e9fi : essayer d’expliquer\u00a0en termes simples de quoi il s’agit. D\u00e9couvrir le boson de Higgs (ou infirmer son existence) est en effet<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"jetpack_post_was_ever_published":false,"_jetpack_newsletter_access":"","_jetpack_dont_email_post_to_subs":false,"_jetpack_newsletter_tier_id":0,"_jetpack_memberships_contains_paywalled_content":false,"_jetpack_memberships_contains_paid_content":false,"footnotes":""},"categories":[6],"tags":[61],"class_list":{"0":"post-2356","1":"post","2":"type-post","3":"status-publish","4":"format-standard","6":"category-physique","7":"tag-physique-des-particules"},"jetpack_featured_media_url":"","jetpack_sharing_enabled":true,"post_mailing_queue_ids":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2356","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=2356"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/2356\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=2356"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=2356"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=2356"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}