Boson de Higgs

Discussion dans 'Bibliothèque Wladbladi' créé par titegazelle, 12 Octobre 2013.

  1. titegazelle

    titegazelle سُبحَانَ اللّهِ وَ بِحَمْدِهِ Membre du personnel

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    Boson

    Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés de symétrie particulières lors de l'échange de particules : un système de particules identiques se comportant comme des bosons est toujours dans un état totalement symétrique par rapport à l'échange de particules. Toutes les particules élémentaires découvertes à ce jour sont soit des bosons, soit des fermions, ces derniers ne pouvant être que dans un état totalement antisymétrique par rapport à l'échange de particules. Le théorème spin-statistique indique que les particules de spin entier sont des bosons, alors que les particules de spin demi-entier sont des fermions.

    Le fait qu'une particule soit un boson ou un fermion a d'importantes conséquences sur les propriétés statistiques observables en présence d'un grand nombre de particules : les fermions sont des particules qui obéissent à la statistique de Fermi-Dirac alors que les bosons obéissent à la statistique de Bose-Einstein. Dans le cas des bosons, cette statistique implique une transition de phase à basse température, responsable notamment de la superfluidité de l'hélium ou de la supraconductivité de certains matériaux. Plus généralement, les bosons montrent une tendance à s'agréger lors des processus d'interaction entre les particules, comme lors de l'émission stimulée de lumière qui donne lieu au laser.

    Historique

    Le terme de boson provient du nom du physicien indien Satyendranath Bose et aurait été utilisé pour la première fois par Paul Dirac. Bose se rendit compte le premier que pour expliquer la loi de Planck décrivant le rayonnement du corps noir à partir des photons précédemment découverts par Einstein, il fallait supposer que les photons ne suivent pas la statistique de Maxwell-Boltzmann, mais plutôt une statistique désormais appelée statistique de Bose-Einstein. Bose écrit un court article, Planck's Law and the Hypothesis of Light Quanta, qu'il envoie à Albert Einstein, après un rejet par le Philosophical Magazine. Einstein est favorablement impressionné et le recommande pour publication dans Zeitschrift für Physik, et il en fait lui-même la traduction de l'anglais vers l'allemand. Einstein va également étendre la notion de boson à d'autres particules telles que les atomes et contribuer à la popularité du concept de boson


    Échange de particules identiques en mécanique quantique

    Le fait qu'en mécanique quantique les particules ne suivent pas une trajectoire déterminée rend l'identification des particules complètement impossible. Autrement dit, des particules qui ne diffèrent pas par leur masse ou leur état interne sont complètement indistinguables l'une de l'autre, et n'ont pas d'individualité propre. Il s'ensuit qu'une mesure complète sur chacune des particules ne peut suffire à caractériser complètement l'état du système, ce phénomène étant dénommé dégénérescence d'échange.

    Pour illustrer ce que l'on entend par dégénérescence d'échange, supposons donné un ensemble complet d'observables qui commutent (ECOC) pour une particule et notons [​IMG] la base de vecteurs propres communs à toutes les observables de cet ECOC. Si le système est composé d'une seule particule, et que l'on mesure toutes les observables de l'ECOC, d'après les postulats de la mécanique quantique, on va projeter l'état du système sur l'un des vecteurs ∣up⟩, de sorte que l'état du système après la mesure sera complètement connu. Supposons maintenant que le système soit composé de deux particules et que l'on effectue une mesure complète de chacune des particules. Le résultat que l'on obtient sera : une particule est dans l'état ∣up⟩ et l'autre est dans l'état ∣up'⟩, mais puisqu'on ne peut pas identifier les particules, on ne sait pas laquelle est dans ∣up⟩ et laquelle est dans ∣up'⟩. En conséquence, le vecteur mathématique décrivant l'état du système est indéterminé. Ce peut être :


    1. [​IMG],
    2. [​IMG], en échangeant le rôle des particules par rapport à ci-dessus,
    3. ou n'importe quel vecteur de l'espace [​IMG] engendré par ces deux vecteurs.
    Pour lever la dégénérescence d'échange, on construit deux opérateurs S et A qui projettent l'espace [​IMG] sur un ket unique soit complètement symétrique lors de l'échange de deux particules (dans le cas de S), soit complètement antisymétrique (dans le cas de A). On postule ensuite que le vecteur représentant correctement l'état du système est ce ket unique. Les particules ayant un vecteur d'état complètement symétrique sont les bosons, tandis que celles ayant un vecteur d'état complètement antisymétrique sont les fermions. Cette approche n'est pas limitée au cas de deux particules et peut être généralisée à un nombre quelconque de particules. Des travaux récents de physique théorique ont découvert d'autres moyens de résoudre ce problème qui conduisent à des comportements différents, tels que les anyons ou les plektons en théorie des cordes. Toutefois, toutes les particules élémentaires décrites par le modèle standard sont soit des bosons lorsque leur spin est entier, soit des fermions lorsque leur spin est demi-entier.
    Particules élémentaires se comportant comme des bosons

    Parmi les particules élémentaires découvertes à ce jour, les bosons sont tous des bosons de jauge, c’est-à-dire qu'ils agissent comme des intermédiaires des interactions fondamentales :

    - le photon est le vecteur de l'interaction électromagnétique
    - les huit gluons de l'interaction forte
    - les bosons Z0, W- et W+ de l'interaction faible
    Le modèle standard de la physique des particules prédit l'existence d'une particule supplémentaire, le boson de Higgs, objet de nombreuses recherches. L'annonce de résultats préliminaires a été faite le 4 juillet 2012 au Centre européen de recherche nucléaire (CERN). Les expériences du CERN ont permis d'observer une particule dont les caractéristiques sont compatibles à 99,9999% avec celles du boson de Higgs tant attendu. L'expérience a été menée près de Genève, grâce à l'accélérateur de particules LHC et ses deux principaux détecteurs. Le graviton, boson de jauge hypothétiquement responsable de l'interaction gravitationnelle, n'entre pas dans le cadre du modèle standard et toutes les tentatives de le lier à ce dernier ont pour l'instant échoué.
    L'existence possible d'autres bosons en dehors du modèle standard est actuellement recherchée, comme dans le cas de l'axion qui serait un boson très léger.

    Bosons composites

    Les particules composées de particules plus élémentaires, comme les atomes ou le proton, peuvent être des fermions ou des bosons, selon leur spin total (entier pour les bosons, demi-entier pour les fermions).

    Exemples de bosons composites :

    - atome d'hélium 4
    - état de deux électrons formant une paire de Cooper dans les matériaux supraconducteurs
    - exciton
    - polariton​

    Autres dénominations de bosons
    Selon leur spin, les bosons peuvent être amenés à être décrits sous d'autres dénominations.

    Boson vecteur
    Le boson vecteur est un boson de spin 1. Les bosons vecteurs élémentaires sont les bosons de jauge. Il existe aussi des bosons composés vecteurs : les mésons vecteurs.

    Boson scalaire
    Le boson scalaire est un boson de spin 0. Le seul boson scalaire élémentaire est le boson de Higgs, bien que certaines théories en évoquent d'autres comme l'inflaton. Parmi les différents mésons scalaires (en) on peut citer le pion.

    Phénomènes montrant le comportement bosonique
    Alors que les fermions obéissent au principe d'exclusion de Pauli : «Un état quantique donné ne peut être occupé que par au plus un seul fermion», ce n'est pas le cas des bosons. Un état quantique bosonique peut être occupé par un nombre quelconque de bosons. C'est même l'inverse qui se produit et les bosons tendent à se rassembler dans un état quantique donné.

    En conséquence, comme les photons ainsi que de nombreux atomes sont des bosons, dans certains cas ils peuvent s'accumuler dans le même niveau. Ceci permet d'expliquer :

    - le rayonnement du corps noir, qui s'explique par la statistique des photons ;
    - la population macroscopique d'un mode unique de photon dans un laser ;
    - le groupement des photons lors de leur détection (expérience de Hanbury-Brown et Twiss)
    - la transition de phase vers un état cohérent à basse température, c'est-à-dire dans lequel deux parties du système puissent interférer. Une telle transition de phase est observée dans différents systèmes :

    -- dans les gaz atomiques dilués, qui sont l'exemple le plus proche de la condensation de Bose-Einstein d'un gaz parfait de bosons envisagée initialement par Bose et Einstein,
    -- dans l'Hélium 4 qui devient superfluide à basse température,
    -- dans certains métaux qui deviennent supraconducteurs à basse température
    Dans ces deux derniers cas, les interactions entre particules sont fortes et l'état fondamental dans lequel se développe le condensat est très différent de l'état fondamental du système en l'absence de condensat. En particulier, il existe de fortes corrélations entre les atomes.
     
    Dernière édition: 15 Octobre 2013
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    Boson de Higgs

    Le boson de Higgs, également connu sous d'autres noms dont celui de boson BEH, est une particule élémentaire dont l'existence, postulée indépendamment par Robert Brout, François Englert, Peter Higgs, Carl Richard Hagen, Gerald Guralnik et Thomas Kibble, permet d'expliquer la brisure de l'interaction unifiée électrofaible en deux interactions par l'intermédiaire du mécanisme de Brout-Englert-Higgs-Hagen-Guralnik-Kibble et d'expliquer ainsi pourquoi certaines particules ont une masse et d'autres n'en ont pas. Sa découverte expérimentale en 2012 a permis d'attribuer le prix Nobel de physique 2013 à François Englert et Peter Higgs.


    [​IMG]
    Description : Simulation de la désintégration d'un boson de Higgs en 2 rayons de hadrons
    (centre, 11 heures) et 2 électrons (en bas à gauche, 5 heures) dans le détecteur CMS du LHC au CERN.
    Les traces dénotent les particules qui ont été produites de la collision d'une paire de protons d'ultra-haute énergie.
    Les énergies déposées par les particules dans le détecteur sont montrées en bleu pale.
    Date : octobre 1997
    Source : http://cdsweb.cern.ch/record/628469
    Auteur : Lucas Taylor
    Ce fichier est disponible selon les termes de la licence
    Creative Commons paternité – partage à l’identique 3.0 (non transposée).

    ___________________


    [​IMG]

    [​IMG]
    Description : Peter Higgs (* 1929)
    Date : 2009
    Source : Mathematisches Institut Oberwolfach (MFO), http://owpdb.mfo.de/detail?photo_id=12812
    Auteur : Gert-Martin Greuel
    Ce fichier est disponible selon les termes de la licence
    Creative Commons
    Paternité – Partage des conditions initiales à l’identique 2.0 Allemagne.

    ______________________

    Le boson de Higgs, quantum du champ de Higgs, confère une masse non nulle aux bosons de jauge de l'interaction faible (bosons W et boson Z), leur conférant des propriétés différentes de celles du boson de l'interaction électromagnétique, le photon.

    Cette particule élémentaire constitue l'une des clefs de voûte du modèle standard de la physique des particules. La connaissance de ses propriétés peut par ailleurs orienter la recherche au-delà du modèle standard et ouvrir la voie à la découverte d'une nouvelle physique, telle que la supersymétrie ou la matière noire.

    Le 4juillet2012, le CERN annonce, lors d'une conférence, avoir identifié, avec un degré de confiance de 99,99997 % (5 σ), un nouveau boson dans un domaine de masse de l'ordre de 125-126 GeV·c-2, qui paraît compatible avec celui du boson de Higgs. Le 15mars2013, le CERN confirme que, selon toute vraisemblance, il s'agit bien du boson de Higgs.

    Description

    Le modèle standard de la physique des particules ne prédit l'existence que d'un seul boson BEH : on parle de «boson de Higgs standard ». Des théories au-delà du modèle standard, telles que la supersymétrie, autorisent l'existence de plusieurs bosons de ce type, de masses et de propriétés différentes.

    Recherche expérimentale

    La recherche du boson scalaire (Higgs) est l'une des priorités du LHC, successeur du LEP au CERN, opérationnel depuis le 10septembre2008. L'état de la recherche en décembre 2011 ne permet alors pas de conclure en l'existence du boson de Higgs, mais il est soutenu lors d'un séminaire organisé alors au CERN que son énergie propre, s'il existe, doit probablement se situer dans la gamme 116-130 GeV selon les expérimentations ATLAS et 115-127 GeV d'après celles du CMS. Le LHC ou le Tevatron (collisionneur protonantiproton) pourraient découvrir un boson de Higgs qui satisfasse au modèle standard ou cinq bosons de Higgs (trois neutres et deux portant des charges électriques) selon la prédiction du modèle supersymétrique.

    Lors d'une annonce officielle très attendue, le CERN a, le 4juillet2012, confirmé aux médias l'existence, avec une probabilité suffisante de 5 σ de certitude (correspondants à 99,9999 %), d'une particule qui présente des caractéristiques conformes à celles que l'on attend du boson de Higgs. D'autres propriétés doivent être mesurées, notamment le taux et les modes de désintégration de cette particule, pour une confirmation définitive, ce qui ne remet pas en cause le caractère très probable de cette découverte. Cette identification ne signifie donc pas encore que c'est forcément le boson de Higgs qui a été découvert ; il faudra encore sans doute quelques années de recherche pour l'établir.

    Le 14 mars 2013, le CERN publie un communiqué de presse dans lequel il indique que le nouveau boson découvert «ressemble de plus en plus» à un boson de Higgs, même s'il n'est pas encore certain qu'il s'agisse du boson de Higgs du modèle standard.

    Principe
    L'existence du boson scalaire (Higgs) est trop brève pour qu'on le détecte directement : on ne peut espérer observer que ses produits de désintégration, voire les produits de désintégration de ces derniers. Des événements mettant en jeu des particules ordinaires peuvent en outre produire un signal similaire à celui produit par un boson de Higgs. Par ailleurs, une particule ne peut être observée dans un détecteur qu'à des énergies supérieures ou égales à sa propre masse. Il est d'ailleurs abusif de parler de masse pour une telle particule, puisque dans le modèle la masse n'est plus une caractéristique intrinsèque des particules, mais une mesure de leurs interactions avec le champ de Higgs.

    Enfin, la complexité des phénomènes intervenant tant dans la production que dans la détection de ces bosons conduit à raisonner en termes de statistiques plutôt qu'en termes d'identification formelle à 100 % du boson. Ainsi, pour affirmer une découverte en physique des particules, la probabilité d'erreur doit être inférieure à 0,00006 %, correspondant à un écart type de 5 σ. Une telle démarche statistique implique donc de provoquer un très grand nombre de collisions lors des expériences pour aboutir à ces niveaux de probabilité.

    Instruments et expériences
    La mise en évidence directe de l'existence du boson de Higgs passe par l'utilisation de détecteurs spécifiques auprès d'accélérateurs de particules. Les expériences suivantes tentent ou ont tenté de détecter le boson de Higgs :
    au LEP (collisionneur électron-positon)
    ALEPH, DELPHI, L3 et OPAL. Pour la recherche du boson de Higgs, le LEP pèche par son énergie relativement faible. Le LEP a fonctionné de 1989 à 2000.
    au Tevatron (collisionneur proton-antiproton)
    DØ et CDF. Malgré son énergie maximale sept fois plus faible que celle du LHC, le Tevatron permet un bruit de fond moins important pour les collisions, et le fait d'utiliser des collisions protons-antiprotons pourraient engendrer des événements spécifiques n'apparaissant pas dans des collisionneurs protons/protons tels que le LHC. Le Tevatron a fonctionné de 1983 à 2011.
    au LHC (collisionneur proton-proton)
    ATLAS et CMS. Le LHC fonctionne depuis 2009.​

    D'autres instruments, notamment des collisionneurs électrons-positons linéaires tels que l'International Linear Collider (ILC), dont la construction est programmée pour 2015, et le Compact Linear Collider (CLIC), actuellement en phase d'étude, pourraient permettre d'identifier plus facilement le boson de Higgs, et de mieux comprendre les mécanismes en jeu.

    Suggestions expérimentales
    On a pensé un temps que le boson de Higgs avait été mis en évidence au LEP en 2000. La significativité statistique était cependant trop faible pour que cette mise en évidence soit assurée. Des études conduites en 2002 au LEP ont permis de conclure à une probabilité de 8 % pour que les événements observés s'expliquent sans faire intervenir le Higgs.

    Les expériences CMS et ATLAS au LHC ont annoncé en décembre 2011 observer des excès cohérents autour de 124 à 126 GeV/c². Ces excès, inférieurs à trois fois l'écart-type, ne sont toutefois pas suffisamment significatifs statistiquement pour valider avec certitude la découverte du boson de Higgs.

    Domaines d'exclusion
    Les expériences passées et actuelles conduisent à exclure cette masse au repos du boson de Higgs de certains intervalles :

    - il est exclu avec un intervalle de confiance de 95 % par les dernières expériences s'étant déroulées au LEP qu'elle soit inférieure à 114,4 GeV/c² ;
    - il est exclu à 95 % par les expériences CDF et D0 au Tevatron qu'elle soit comprise entre 156 et 177 GeV/c² ;
    - il est exclu à 95 % (respectivement 99 %) par l'expérience CMS au LHC qu'elle soit comprise entre 127 et 600 GeV/c² (respectivement 128 et 225 GeV/c²) et dans un intervalle similaire par l'expérience ATLAS ;
    - en mars 2012, une publication du Tevatron renforce l'exclusion du domaine [147 ; 179 GeV] et la probabilité, supérieure à 97 % (2,2 σ), que le Higgs soit en revanche situé dans l'intervalle [115 ; 135 GeV].

    Au-delà de plusieurs centaines de GeV/c², l'existence du boson de Higgs standard est quant à elle remise en question par la théorie.

    L'énergie propre du boson de Higg est estimée en 2012 à (125,3 ± 0,6) GeV/c².

    Origine de la masse

    Plusieurs questions ont été posées concernant entre autres le mécanisme et la masse des bosons. Pour apporter une réponse à ces questions, la notion de brisure de symétrie est introduite, dans la théorie électrofaible.

    Symétrie et brisure de symétrie
    Les régularités dans le comportement des particules sont appelées symétries et elles sont étroitement reliées aux lois de conservation. La symétrie est aussi reliée au concept de l'invariance : si un changement effectué dans un système physique ne produit aucun effet observable, le système est dit invariant au changement, impliquant une symétrie (voir théorème de Noether).

    L'unification électrofaible est fondée sur le concept que les forces sont générées par l'échange de bosons. Lorsqu'on dit qu'il existe une force entre deux fermions (spin 1/2), c'est aussi dire qu'ils sont en train d'échanger des bosons. Il faut à partir de là comprendre comment les bosons transmetteurs des forces fondamentales acquièrent une masse. Dans le cas de l'unification électrofaible, comment les bosons W± et Z° acquièrent-ils une masse alors que ce n'est pas le cas pour le photon ?

    Les symétries de jauge requièrent que les transmetteurs de force (bosons de jauge) soient de masse nulle. Pour contourner le problème de la masse des bosons, Salam, Glashow et Weinberg ont dû inventer un mécanisme pour briser la symétrie de jauge permettant aux W± et Z° d'acquérir une masse. De tels mécanismes avaient été développés dans d'autres contextes par divers théoriciens : Yoichiro Nambu, Jeffrey Goldstone, Sheldon Glashow, Peter Higgs et Philip Anderson.
    L'idée est de postuler l'existence d'un nouveau champ, surnommé champ de Higgs.

    Champ de Higgs
    Le champ de Higgs différerait des autres champs en ce qu'à basse température (énergie), l'espace «préférerait» être rempli de particules de Higgs que de ne pas l'être. Les bosons W± et Z° interagissent avec ce champ (contrairement au photon), et avancent à travers l'espace comme s'ils se mouvaient dans une «mélasse» épaisse. De cette manière, ils acquièrent une masse effective. À haute température (énergie), les interactions dans le champ de Higgs sont telles que l'espace n'est plus rempli de cette mélasse Higgsienne (un peu comme si la température avait fluidifié la mélasse), les W± et Z° perdent leur masse et la symétrie entre les W±, Z° et le photon n'est plus brisée, elle est «restaurée». Elle est dite manifeste. La masse d'un fermion ou d'un boson ne serait donc qu'une manifestation de cette interaction des particules avec le champ de Higgs dans lequel elles «baignent».

    Le champ de Higgs permet de préserver la symétrie à haute énergie et d'expliquer la brisure de la symétrie à basse énergie. Il est responsable de la masse des bosons électrofaibles, mais interagit aussi avec les fermions (quarks et leptons), qui acquièrent ainsi une «masse». Les plus légers sont les neutrinos, qu'on croyait jusqu'à récemment de masse nulle; vient ensuite l'électron avec une masse de 0,511 MeV⋅c-2. Tout en haut de l'échelle vient le quark top, qui est de loin la particule élémentaire la plus lourde avec ses 175 GeV⋅c-2.

    Questions résiduelles
    Les particules (bosons, fermions) acquièrent une masse à cause du champ de Higgs, mais pourquoi chaque particule acquiert-elle une masse différente, voire n'acquiert-elle pas de masse du tout comme dans le cas du photon ? Pourquoi la force de l'affinité des particules avec le champ de Higgs — ce qu'on appelle le couplage — est-elle si différente d'une particule à l'autre, et donc comment expliquer cette hiérarchie des masses ? Aujourd'hui, on ne connaît pas les réponses à ces questions, et la théorie du boson de Higgs ne permet pas d'y répondre seule.

    Métaphore du cocktail
    Le physicien David J. Miller, spécialiste des particules élémentaires, a comparé le boson et le mécanisme de Higgs à un cocktail réunissant les membres d'un parti politique.

    Le champ de Higgs est comparé au groupe des personnes qui, au départ, remplissent un salon de manière uniforme. Lorsqu'une personnalité politique très connue entre dans le salon, elle attire les militants autour d'elle, ce qui lui donne une «masse» importante. Cet attroupement correspond au mécanisme de Higgs, et c'est lui qui attribue une masse aux particules.

    Ce n'est pas le boson qui donne directement une masse aux particules : le boson est une manifestation du champ de Higgs et du mécanisme de Higgs, qui lui donne sa masse aux particules. Ceci est comparable, dans cette métaphore, au phénomène suivant. Une personne extérieure, depuis le couloir, répand une rumeur aux personnes situées près de la porte. Un attroupement de militants se forme de la même manière et se répand, comme une vague, à travers la pièce pour transmettre l'information : cet attroupement correspond au boson de Higgs.

    L'observation du boson de Higgs serait donc un indice très fort de l'existence du mécanisme de Higgs, mais celui-ci pourrait exister même si le boson, lui, n'existe pas.

    Dénominations

    Higgs n'en revendiquant lui-même nullement la paternité, certains, comme François Englert, estiment qu'il est plus pertinent de nommer cette particule «boson BEHHGK», pour Brout, Englert, Higgs, Hagen, Guralnik et Kibble, simplifié parfois en «boson BEH», pour Brout, Englert et Higgs (cette dernière dénomination étant adoptée aux 47e «Rencontres de Moriond» sur la physique des particules à La Thuile en 2012), ou encore de l'appeler «boson scalaire massif» ou encore «boson scalaire de brisure spontanée de symétrie (BSS)».

    «Notre article a paru dans le Physical Review Letters du 31 août 1964 au moment où l'article de Higgs était seulement déposé. Et celui-ci cite d'ailleurs notre texte. Nous avons donc l'antériorité. Ce que Peter Higgs reconnaît bien volontiers. Disons qu'il y a eu codécouverte, de manière indépendante mais complémentaire. L'approche mathématique en était différente. Nous ne nous connaissions pas. On a commencé à appeler cette particule «boson de Higgs» et on n'a pas changé, alors que les scientifiques, eux, savent que c'est le «boson de Brout-Englert-Higgs» et le champ BEH. Je préfère d'ailleurs l'appeler encore autrement, c'est-à-dire «boson scalaire» et «champ scalaire», ce qui décrit mieux la structure de ce boson.»
    — François Englert, interviewé dans La Libre Belgique

    Les appellations «particule-dieu» (traduction littérale du surnom «God Particle» donné par Leon Lederman) et «particule de Dieu» (traduction incorrecte du même surnom), utilisées par les médias pour désigner le boson de Higgs, sont généralement réprouvées par les physiciens.



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    Dernière édition: 15 Février 2015

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