Les éléments… la masse… Le Higgs

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1 Les éléments… la masse… Le Higgs
David A. Smith Centre d’Études Nucléaires de Bordeaux-Gradignan (CENBG / IN2P3 / CNRS) pour la Société Française de Physique Université de Bordeaux le 10 décembre 2013

2 10 décembre: anniversaire de la mort d’Alfred Nobel.
Le Roi de Suède donne les prix que Nobel a légué. Salam, avec Weinberg et Glashow, l’a reçu pour l’unification des forces électromagnétique et faible. Leur théorie se repose, entre autre, sur l’effet Higgs-Englert-Brout.

3 Higgs Englert Brout

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6 Large Hadron Collider au Centre Européen de Recherche Nucléaire
LHC au CERN Large Hadron Collider au Centre Européen de Recherche Nucléaire Les ‘hadrons’, du grec ancien ἁδρός (hadros, ’épais’ ou ‘fort’), sont les particules soumises à la force ‘forte’ nucléaire: quarks et gluons, et donc protons, neutrons, et cetera.

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8 proton-proton Higgs 4 muons
Le proton contient quarks et gluons, ‘g’. Les muons, m, et électrons e sont des ‘leptons’ *, ‘ l’. Ici: simulation. * "λεπτός" (leptos), “petit, mince“. Particules soumises qu’à la force faible.

9 Juillet 2012 pp Higgs g + g Une nouvelle particule de masse 125 GeV est observée avec ATLAS et CMS. Elle est compatible avec l’hypothèse du boson de Higgs du modèle standard des particules élémentaires.

10 This talk: Les éléments:
Des grecs aux quarks en passant par le tableau périodique de Mendeleev. Masse et force: Mais pourquoi les physiciens veulent toujours nous bassiner avec ça !? Retour au Higgs Ce qu’on a vu et compris, et pourquoi c’est important. Pour un développement plus linéaire, rigoureux, et classique, voir le PowerPoint du Professeur J-C Caillon sur les découvertes au LHC, sur , ainsi que son affiche ici ce soir.

11 (Parenthèse – qui suis-je?)
1. Thèse – construction du détecteur de muons de CDF à Fermilab (Chicago) Satellite Fermi (depuis 2003) (mis sur orbite en 2008) 3. CNRS – Astronomie des rayons gamma. Pulsars, et autres vestiges de supernovae. 2. Postdoc (Pise) W±  m±n Z° mm

12 Les Grandes Questions D’où vient-on? L’âge du monde? La taille de l’Univers? Comment finira-t-on? De quoi tout cela est-il fait? Comment ça marche? La conscience est-elle ‘mécanique’? Où sont les voisins? Plus petit que le plus petit? Rien, est-ce vraiment rien? La Science aujourd’hui répond à beaucoup de ces questions. Pas à toutes. La physique fondamentale traite les choses pratiques (applications, ingénierie) ainsi que des sujets plus philosophiques, et évite la métaphysique. Classification des qualités des aliments en quatre degrés pour chacune d'entre elles d'après la théorie des humeurs d'Hippocrate revue par Galien (wikipédia)

13 V. Hess, 1912 Crée dans le big bang
« Nucléosynthèse  stellaire» -- nous sommes poussière d’étoiles. Crée dans le big bang V. Hess, 1912 Crées dans les étoiles comme le soleil Etoiles >5x la masse du soleil Tout ce qui est plus lourd que le fer (ou nickel et cobalt) est crée dans les explosions d’étoiles  Supernovae!

14 Ce croquis est trompeur!
Quasiment toute la masse est dans le noyau. Le noyau est minuscule. Rutherford, prix Nobel 1908 Conséquence 1: la matière est essentiellement du vide. Avant et après le Big-Bang se ressemblent. Conséquence 2: la solidité de la matière est due à la force répulsive des électrons, presque sans masse (sans matière!). Pas d’orbites comme celle des planètes. Pas non plus des grappes de boules. Le monde microscopique n’est pas déterministe. Protons, neutrons ne sont pas des ‘éléments’, mais sont faits de ‘quarks’ et ‘gluons’. Les charges + des protons se repoussent  force ‘forte’ ou ‘nucléaire’. Mais les noyaux se désintègrent (=radioactivité) quand même  force ‘faible’ Et en fait: le vide n’est pas vide.

15 V. Hess, 1912

16 Exemple de l’échange d'un photon entre deux électrons.
4 3 forces fondamentales: Gravitation; ‘nucléaire’ ; et, grâce à tous ces prix Nobel, ‘électrofaible’. Les particules de matière interagissent à distance en échangeant une particule : Vecteur de l’interaction. Exemple de l’échange d'un photon entre deux électrons. Interaction à distance entre deux barques par échange d’une boule. La mécanique quantique impose la dualité corps-onde. Une onde est la perturbation d’un champ. On parle donc aussi du `champ de Higgs’.

17 Tellement familière qu’on croît savoir ce que c’est.
La masse Tellement familière qu’on croît savoir ce que c’est.

18 mG = mI (« principe d’équivalence »)
Les objets résistent aux changements de mouvement. Cela s’appelle l’inertie. ça résiste plus pour le plomb que pour les plumes. Le changement de mouvement, a, est proportionnel à la force F appliquée. On appelle la constante de proportionnalité « la masse inertielle », mI, et on écrit F = mI a. Les objets s’attirent. Cela s’appelle la gravitation. L’attraction est moins quand la distance d entre les deux est plus grande. L’attraction de l’un par l’autre est proportionnelle à une quantité qu’on appelle « la masse gravitationnelle », mG Postulat (constat) d’Einstein, pour formuler la relativité générale: les deux sont les mêmes! mG = mI (« principe d’équivalence ») Relativité restreinte: les lois ne dépendent pas du référentiel, et c non plus. En conséquence, E = mI c², masse et énergie sont la même chose (à un facteur près). (le photon, sans masse de repos, est soumis à la gravitation ≡ rel. gen’l.)

19 Cette chose, la « masse », est clef à toutes les échelles!
Exemple: un kilo de plomb est la somme des masses des noyaux. M(noyau) = S (masses des protons et neutrons) – (EL/c²), avec EL l’énergie de liaison des p, n par la force forte. M(p ou n) = S (masses des quarks) + (E’L/c²), avec E’L l’énergie de liaison des quarks par la force forte. La masse (petite, comparée à E’L/c²) des quarks vient du Higgs. Ainsi, le kilo de plomb gravite vers Jupiter, et vers les amas de galaxies lointaines. Cette chose, la « masse », est clef à toutes les échelles! Ses nature et origine ne sont pas triviales

20 Système binaire de deux pulsars (vue d’artiste).
Un pulsar est une étoile à neutrons, soit un noyau atomique plus grand que Bordeaux La physique nucléaire permet de calculer ses propriétés. Les mesures orbitales confirment les prédictions gravitationnelles de la relativité générale avec grande précision.

21 Le Higgs Etapes clefs pour la prédiction La découverte

22 1903, Becquerel, P & M Curie, discovery of spontaneous radioactivity
1918, Planck, discovery of energy quanta 1921, Einstein, photoelectric effect (découverte du photon) 1922, Bohr, atomic structure 1929, de Broglie, discovery of the wave nature of electrons 1932, Heisenberg, quantum mechanics 1933, Schrödinger, Dirac: atomic theory 1935, Chadwick, discovery of the neutron 1936, Anderson, discovery of the positron 1938, Fermi, new radioactive elements created with slow neutrons BETA DECAY AND NEUTRINOS 1945, Pauli, exclusion principle 1949, Yukawa, strong force and the prediction of the pion 1954, Born, statistical interpretation of the quantum wavefunction 1957, Lee and Yang, symmetry violations 1959, Chamberlin and Segré, discovery of the antiproton 1965, Feynmann, Schwinger & Tomonage, quantum electrodynamics (QED) 1967, Bethe, how nuclear physics makes stars work 1969, Gell-Mann, quark structure 1972, Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS), theory of superconductivity (symmetry breaking) 1976, Richter and Ting, charm quark 1979, Glashow, Salam, Weinberg (WSG) Electroweak unification and prediction of Z°. 1980, Fitch and Cronin, symmetry violations in particle reactions. 1984, Rubbia and Van der Meer, discovery of the W and Z° bosons. 1995, Reines and Perl, reactor neutrino and tau lepton discoveries 1999, ‘t Hooft and Veltman, quantum structure of electroweak interactions (cioé?) 2002, Davis and Koshiba, discovery of cosmic neutrinos 2004, Gross, Politzer, and Wilczek, quark confinement (asymptotic freedom in the strong interaction) 2008, Kobayashi and Maskawa, 3 quark families. Nambu, spontaneous broken symmetry in particle reactions. 2013, Englert and Higgs, origin of mass of subatomic particles Mauvaise planche!! Impossible de tracer le fil de tous les prix Nobel qui ont mené à celui du Higgs dans le temps dont nous dispons.

23 1945, Pauli, exclusion principle prédiction de neutrons et neutrinos
1903, Becquerel, et Pierre et Marie Curie, découverte de la radioactivité 1918, Planck, discovery of energy quanta 1921, Einstein, photoelectric effect (découverte du photon) 1922, Bohr, atomic structure 1929, de Broglie, discovery of the wave nature of electrons 1932, Heisenberg, quantum mechanics 1933, Schrödinger, Dirac: atomic theory 1935, Chadwick, discovery of the neutron 1936, Anderson, discovery of the positron 1938, Fermi, new radioactive elements created with slow neutrons Explication de la radioactivité (désintégration b) 1945, Pauli, exclusion principle prédiction de neutrons et neutrinos 1949, Yukawa, strong force and the prediction of the pion 1954, Born, statistical interpretation of the quantum wavefunction 1957, Lee and Yang, symmetry violations 1959, Chamberlin and Segré, discovery of the antiproton 1965, Feynmann, Schwinger & Tomonage, quantum electrodynamics (QED) 1967, Bethe, how nuclear physics makes stars work 1969, Gell-Mann, quark structure 1972, Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS), theory of superconductivity (symmetry breaking) 1976, Richter and Ting, charm quark 1979, Glashow, Salam, Weinberg (WSG) Electroweak unification and prediction of Z°. 1980, Fitch and Cronin, symmetry violations in particle reactions. 1984, Rubbia and Van der Meer, discovery of the W and Z° bosons. 1995, Reines and Perl, reactor neutrino and tau lepton discoveries 1999, ‘t Hooft and Veltman, quantum structure of electroweak interactions (cioé?) 2002, Davis and Koshiba, discovery of cosmic neutrinos 2004, Gross, Politzer, and Wilczek, quark confinement (asymptotic freedom in the strong interaction) 2008, Kobayashi and Maskawa, 3 quark families. Nambu, spontaneous broken symmetry in particle reactions. 2013, Englert and Higgs, origin of mass of subatomic particles

24 Radioactivité (désintégration b)
La force forte (« nucléaire ») domine (x1000) la force électrostatique des protons, à faible distance. Et donc… noyaux stables. Mais -- pas toujours stables! Radioactivité b : émission d’un électron. Becquerel, et Pierre et Marie Curie, ont découvert la transformation spontanée de certains “éléments”. Cela implique une nouvelle force, 100x plus ‘faible’. Pauli (1930) propose n → p+ e− n, en introduisant le ‘neutron’, découvert par Chadwick en 1932. Fermi (1932) baptise le ‘neutrino’, n, le met en famille avec le positon e+, et fourni un cadre théorique rigoreux. Découvert (Reines) du n en 1956, Nobel en 1995. pas d’étoiles à neutrons ni pulsars sans tout ça!

25 W± et Z° : médiateurs de la force faible Désintégration b n → p+ e− ne
Un neutron dans un noyau devient un proton, transformant l’espèce chimique de l’élément. Ça crache un électron et un neutrino. W± : vecteur de couplage des quarks du proton et quarks du neutron. Spectres expérimentaux en énergie de l’électron: neutrino (presque) sans masse Vecteur d’échange massif, ‘spin’ zéro. ‘spin’ – quantum de moment angulaire. Spin entier – obéit à la statistique de Bose-Einstein, ‘boson’ Demi-spin – obéit à la statistique de Fermi-Dirac, ‘fermion’.

26 W± et Z° : médiateurs de la force faible
IVB = « Bosons vecteurs intermédiaires » Théorie complète: extension de l’électromagnétisme en « électrofaible »: prix Nobel pour la théorie (WSG 1979) et découvertes (Rubbia, Van de Meer 1984). Emulation des méthodes de la QED (quantum electrodynamics, Feynmann, Schwinger, Tomonga prix Nobel 1965). Premières tentatives théoriques (‘boson de Goldstone’)  IVB sans masse. La percée de Brout – Englert – Higgs – Guralink – Hagen – Kibble (*) : Par analogie avec la théorie BCS de la supraconductivité, appliquer le formalisme de brisure de symétrie pour attribuer de la masse à l’IVB. Le mécanisme de Higgs donne de la masse aux quarks aussi. (*) Guralink, Hagen, Kibble ont compris et publié un poil après B,E,H.

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28 Introduction à la physique du LHC
Le Higgs ou le mystère de la masse Les particules élémentaires interagissent avec le champ de Higgs. Mécanisme de Higgs donnant une masse aux particules. La masse des électrons et des quarks serait une manifestation des interactions avec le champ de Higgs dans lequel ils « baignent ».

29 W± et Z° : dans la mélasse
Le vide n’est pas vide (  déclenchement du big bang). Une conséquence des théories quantiques des champs et des particules, et du principe d’incertitude: Sur des petits intervalles de temps, on ‘viole’ la conservation d’énergie. ( DEDt < h/4p ) Création et annihilation de photons, et cetera, virtuels Diagramme de Feynman d’une fluctuation du vide quantique Conséquence: L’IVB (le W±) qui se propage dans le champs, omniprésent, de Higgs, échange en permanence avec le champs. Cela donne de l’inertie au W, c’est-à-dire, de la masse. Voici pourquoi on dit que le champ de Higgs est comme de la mélasse. Rappel: dualité onde-particule  ‘champs’ implique ‘particule’, et vice versa.

30 Expérimentalement, qu’a-t-on fait?

31 Accélérateur de particules (nanoLHC) au CENBG.
Pour étudier la matière: on accélère les noyaux à grande vitesse, on les cogne contre d’autres, et on regarde les morceaux. ‘atom smasher’ Accélérateur de particules (nanoLHC) au CENBG.

32 (électrons, protons et neutrons.
Noyaux énergetique Noyau cible (électrons, protons et neutrons. Quarks!) Nouvelles particules (pions, muons, kaons, électrons, photons…) via E = mc²

33 Collisions (choc frontal) de protons avec protons, au centre du détecteur.

34 Le p était à la pointe de la recherche vers1950.
Chercher une aiguille dans une botte de foin. Dans 99, (etc etc etc) des cas, p p  p etc Le p était à la pointe de la recherche vers1950. Le top et le Higgs sont lourds  il faut E=mc² grand. Gluon  quark Top  Higgs est un processus rare. Donc: grande intensité de faisceaux protons pour faire beaucoup de collisions. Puis… détecteurs avec excellente identification des particules secondaires pour les rejeter quasiment toutes!

35 pp Higgs g + g ‘Bkg’ = ‘background’ = ‘bruit de fond’.
‘S/B’ = signal / background. ‘L’ = ‘Luminosité’ = mesure du nombre total de collisions pp. ‘s’ = énergie disponible pour des réactions. On garde les événements (=collisions) ayant des ‘signatures’ des particules finales. Ici: mesure d’une quantité ‘invariante’, pour faire sortir un signal par rapport aux combinaisons aléatoires. Une découverte doit être confirmée par plusieurs canaux. Les niveaux des bruits du aux processus connus sont soigneusement chiffrés.

36 Ces trajectoires de muon dans CMS sont courbées par le champ de 3,8 Tesla sur plusieurs mètres, ce qui permet une mesure précise de leur impulsion.

37 BEAUCOUP de particules chargées secondaires suite à une collision, dues aux autres quarks, gluons dans les protons initiaux. L’identification des traces et la caractérisation des particules est un défi majeur.

38 -----Fin----- Merci à J-C Caillon pour son aide à la préparation.
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39 Lexique Une théorie de Jauge ne change pas si on déplace (redéfinit) un paramètre non-observable. Exemple: on ne mesure qu’une différence de potentiels électriques, pas la valeur absolue. ‘EM invariante sous transformation de jauge’. Diagrammes de Feynman – planche en préparation Symétries brisées – planche en préparation Mieux que la mélasse – mélange des états propres induit par un couplage des états avec un champs bien choisi. Ce champ, mis ad hoc, dissymétrique, avec énergie à l’état minimum non-zéro, est le Higgs. ‘ad hoc’, mais a mené directement à la prédiction du Z°! Planche à faire un jour.

40 The Brout-Englert-Higgs boson
Why is the Brout-Englert-Higgs boson commonly called the Higgs boson? Here is Steven Weinberg's version of the story: “In his recent book, The Infinity Puzzle (Basic Books, 2011), Frank Close points out that a mistake of mine was in part responsible for the term “Higgs boson.” In my 1967 paper on the unification of weak and electromagnetic forces, I cited 1964 work by Peter Higgs and two other sets of theorists. (...) As to my responsibility for the name “Higgs boson,” because of a mistake in reading the dates on these three earlier papers, I thought that the earliest was the one by Higgs, so in my 1967 paper I cited Higgs first, and have done so since then. Other physicists apparently have followed my lead. But as Close points out, the earliest paper of the three I cited was actually the one by Robert Brout and François Englert. In extenuation of my mistake, I should note that Higgs and Brout and Englert did their work independently and at about the same time, as also did the third group (Gerald Guralnik, C.R. Hagen, and Tom Kibble). But the name “Higgs boson” seems to have stuck.” (As to the last sentence, let us recall, however, that Guralnik, Hagen, and Kibble do quote in their 1964 paper the works of Brout-Englert and Higgs).

41 Introduction à la physique du LHC
Le Higgs ou le mystère de la masse Que dit la théorie ? D’après le modèle standard, tous les vecteurs devraient être sans masse. Pourquoi les vecteurs de l’interaction faible sont-ils massifs ? Il existerait un champ qui emplirait tout l’espace, le champ de Higgs auquel est associée une particule : le boson de Higgs. Les vecteurs de l’interaction faible interagiraient avec ce champ en avançant dans l’espace comme dans une « mélasse épaisse ». Masse

42 Le Big Bang: Il y a 13,8 mille millions d’années, L’Univers était densément rempli d’énergie sous forme de rayonnements. En expansion, cela s’est refroidit. Energie est devenue matière (E = mc²). Atomes  gaz  étoiles  galaxies  planètes et vie. (Cela n’était pas « une boule de feu au milieu d’un espace vide ».) Trois observations principales soutiennent la théorie. Expansion de l’Univers La réverbération à 3° K. L’abondance des éléments

43 Plus loin se trouve une galaxie de la notre, plus vite elle s’éloigne
Plus loin se trouve une galaxie de la notre, plus vite elle s’éloigne. (E. Hubble, 1929) Ici: des galaxies lointaines déformées par effet de « lentille gravitationnelle » prédit par la Relativité Générale d’Einstein.

44 Découverte (1964) de « l’écho » du Big Bang:
l’Univers rayonne en « lumière » micro-onde,comme un « corps noir » de température 3° K au-dessus du zéro absolu.

45 Image du ciel en « lumière » micro-onde,
prise par le satellite Planck, , et après soustraction des avant-plans. Variations spatiales de la température de l’espace, ans après le Big Bang.

46 Un peu d’aide pour mieux visualiser tout cela
Le vide ne l’est pas. (Principe d’incertitude de Heisenberg  fluctuations quantiques) La matière n’est presque que du vide*. (découverte du noyau de Rutherford) Donc, ‘avant’ et ‘après’ se ressemblent. Un jour, une fluctuation heureuse du vide quantique, infini et éternel, a eut la bonne combinaison de paramètres pour que l’Univers croît. * En sanscrit: « maya » = « illusion » décrit le monde matériel.