21 novembre 2012 le mécanisme de Higgs Conférence de Robert HEIKES Présentée par Bruno RIERA

20è siècle: 1909 RUTHERFORD découvre le NOYAU atomique 1930 PAULI suggère le « Neutrino » 1931 DIRAC postule le « Positron » 1932 ANDERSON Découvre le « Positron » CHADWICK découvre le « Neutron » 1933 FERMI modélise l’interaction faible (force par contact) 1934 YUKAWA postule le « Pion » 1936 ANDERSON Découvre le « Muon » 1947 découverte du « Pion » (Powell, Lattes, Occhialini) 1956 mise en évidence du « Neutrino » 1961 Théorie électrofaible de Glashow Nambu et Goldstone développent le principe de brisure spontanée de symétrie 1964 Gell Man postule l’existence des quarks 1964 Higgs, Brout et Englert appliquent le mécanisme de la brisure de symétrie aux particules; ils postulent le boson de Higgs 1967 Glashow, Weinberg et Salam unifient électromagnétisme et force faible: postulent W et Z 1969 mise en évidence des quarks par Feynman et Bjorken 1983 découverte au CERN des bosons W et Z 2012 annonce de la découverte d’une particule : boson de Higgs

Notions de « base » Fermions et bosons, interactions (matière et forces) Interaction faible, Bosons W et Z

Les fermions construisent la matière

Diagrammes de Feynman bosons fermions théorie quantique des champs

Gravité et Electromagnétisme Portée infinie l’intensité diminue comme le carré de la distance

Notions de « base » Fermions et bosons, interactions (matière et forces) Interaction faible, Bosons W et Z

Elle transforme : électron en neutrino, proton en neutron Δ(E) x Δ(t) ≥ h E = mc²

Notion de « multiplet » Algue bleue chimpanzé humain Bactérie poisson espadon Chat géranium virus Ex : singlet : le virus est le seul non autonome Ex : doublet : chimpanzé et humain sont interchangeables, comme bactérie et algue bleue Ex: triplet : chat, chimpanzé, humain: animaux vivent hors de l’eau avec les particules du modèle standard … on parle de multiplets d’états quantiques

Chimère quantique (multiplet)

parité

 Chien Shiung Wu et ses collaborateurs démontrèrent la violation de symétrie fin 1956: la force faible ne respecte pas la parité !!

Parité non respectée : seules les particules L (gauches) sont sensibles à la force faible

Le problème L’observation de la très courte portée de l’interaction implique que les bosons sont lourds Le modèle théorique fonctionne à merveille si les bosons sont sans masse. Par contre, si on introduit une masse, le modèle dysfonctionne .

1964 Le mécanisme de Higgs 2012 : annonce du LHC Kibble, Guralnik, Hagen, Englert, et Brout 

Le mécanisme de Higgs résulte des propriétés fondamentales du vide

Brisure de symétrie dans l’atmosphère humide pas de particules, au chaud / la neige apparait au froid

Brisure de symétrie dans les nuages représentation de l’énergie du champ

Thermodynamique ferromagnétisme La courbe pointillée donne l'allure de l'énergie libre pour une température supérieure à la température critique. La courbe linéaire représente l'énergie libre en dessous de la température critique. Thermodynamique ferromagnétisme

Flambage d'une barre d'acier Flambage d'une barre d'acier. Si la force de compression verticale est inférieure à une valeur critique, la barre reste droite, le minimum de l'énergie potentielle est symétrique par rapport à la rotation autour de la barre. Si la force dépasse la valeur critique, la barre flambe ; le minimum de l'énergie potentielle n'est plus symétrique par rapport à la rotation, alors que la forme de l'énergie potentielle l'est

Dans ce cadre du mécanisme de Higgs, la symétrie locale de l'interaction électrofaible  est brisée spontanément en introduisant un champ scalaire  non nul dans le vide. La symétrie est brisée, parce que le vide n’est plus invariant par rotation !!

10100 par cm3

4 bosons de Goldstone

Productions possibles de bosons de Higgs Production de particules de Higgs entre hadrons et leptons. A gauche la transformation d’un quark bottom (b) en quark étrange (s) avec production d’une paire de muons . Cette décroissance requiert un courant neutre véhiculé par une hypothétique particule de Higgs, H°. A droite l'annihilation d’une paire de quarks u-anti u avec production d’un boson Z° qui produit un boson de Higgs H° tandis que l’énergie restante crée une paire de muons

Productions possibles de bosons de Higgs

Désintégration du boson de Higgs avec deux photons gamma Désintégration du boson de Higgs avec deux photons gamma. Atlas et CMS voient tous les deux des signes de ce mode de désintégration du boson de Higgs avec une masse similaire de l'ordre de 126 GeV.

A typical candidate event including two high-energy photons whose energy (depicted by red towers) is measured in the CMS electromagnetic calorimeter. The yellow lines are the measured tracks of other particles produced in the collision.

Di-photon (γγ ) invariant mass distribution for the CMS data of 2011 and 2012 (black points with error bars). The data are weighted by the signal to background ratio for each sub-category of events. The solid red line shows the fit result for signal plus background; the dashed red line shows only the background

Désintégration selon le canal des bosons Z.

Event display of a H -> 2e2mu candidate event with m(4l) = 122 Event display of a H -> 2e2mu candidate event with m(4l) = 122.6 (123.9) GeV without (with) Z mass constraint. The masses of the lepton pairs are 87.9 GeV and 19.6 GeV. The event was recorded by ATLAS on 18-Jun-2012, 11:07:47 CEST in run number 205113 as event number 12611816. Zoom into the tracking detector. Muon tracks are colored red, electron tracks and clusters in the LAr calorimeter are colored green.

 Event recorded with the CMS detector in 2012 at a proton-proton centre of mass energy of 8 TeV. The event shows characteristics expected from the decay of the SM Higgs boson to a pair of Z bosons, one of which subsequently decays to a pair of electrons (green lines and green towers) and the other Z decays to a pair of muons (red lines).

CMS-PHO-EVENTS-2011-010 - 5  -  GIF;ICON-640, GIF;ICON, JPG  Real CMS proton-proton collision events in which 4 high energy muons (red lines) are observed. The event shows characteristics expected from the decay of a Higgs boson but is also consistent with background Standard Model physics processes

 Event recorded with the CMS detector in 2012 at a proton-proton centre of mass energy of 8 TeV. The event shows characteristics expected from the decay of the SM Higgs boson to a pair of Z bosons, one of which subsequently decays to a pair of electrons (green lines and green towers) and the other Z decays to a pair of muons (red lines).

FIN From Robert Heikes : robert.heikes@wanadoo.fr

Particules virtuelles (parenthèse) Les particules virtuelles sont des « fantômes » des particules réelles. Elles ont les mêmes caractéristiques sauf que leur énergie semble libre. Mais la question n’est pas: l’énergie est elle conservée, mais Est il observable que l’énergie n’est pas conservée

Motivations Le modèle standard repose en grande partie sur les concepts de symétrie et d'invariance, notamment l'invariance de jauge qui génère les interactions. Cette invariance interdit d'introduire des termes de masse pour les bosons de jauges, vecteurs de l'interaction. Or certains de ces bosons (les W et le Z de l'interaction faible) ont une masse. Le défi relevé par des physiciens comme Peter Higgs en 1964 a consisté à générer ces termes de masse en évitant de remettre en cause l’édifice théorique du modèle standard. Mécanisme Dans ce cadre du mécanisme de Higgs, la symétrie locale de l'interaction électrofaible  peut être brisée spontanément en introduisant un champ scalaire de valeur moyenne non nulle dans le vide, conférant une masse non nulle aux bosons de jauge  W et Z . En conséquence de cette masse, l'interaction faible qui est transportée par les bosons W et Z est à courte portée (de l'ordre de 10-18 m). Afin d'avoir la brisure de symétrie recherchée, il faut considérer qu’a cause de ce champ scalaire, l'état du vide n'est plus invariant par rotation. La masse n'est pas une propriété intrinsèque d'une particule, mais devient la résultante d'une interaction entre les particules et le champ de Higgs. De façon indirecte le mécanisme de Higgs serait également la source de la masse non nulle de tous les fermions qui composent la matière. De l'absence d'interaction du photon avec ce champ découlerait ainsi à la fois sa masse nulle (le photon se mouvant sans difficulté dans le champ de Higgs), et la portée infinie du champ électromagnétique. Le boson de Higgs Au champ de Higgs  est apparié une particule correspondante, dénommée boson de Higgs.

Symétrie brisée

Symétrie