LA DÉCOUVERTE DU BOSON DE HIGGS

CONFÉRENCE DU FORUM DES SAVOIRS Plus l être humain sera éclairé, plus il sera libre. Voltaire LA DÉCOUVERTE DU BOSON DE HIGGS Événement scientifique, non-événement philosophique CONFÉRENCE PAR ÉRIC LOWEN Association ALDÉRAN Toulouse pour la promotion de la Philosophie MAISON DE LA PHILOSOPHIE 29 rue de la digue, 31300 Toulouse Tél : 05.61.42.14.40 Email : philo@alderan-philo.org Site : www.alderan-philo.org conférence N 1000-328

LA DÉCOUVERTE DU BOSON DE HIGGS Evénement scientifique, non-événement philosophique Conférence d Éric Lowen donnée le 21/09/2012 à la Maison de la philosophie à Toulouse La découverte (apparemment) du boson de Higgs en juillet 2012 au CERN à Genève a entraîné beaucoup d annonce et de publications, notamment dans les milieux non-scientifiques (Paris- Match, Rue 89, Le figaro) et pseudo-scientifiques (les Bogdanov par exemple). Certaines choses ont été dites avec justesse, d autres relèvent au mieux de l incompréhension. Cette découverte n est pas une révolution scientifique, loin de là, c est même tout l inverse, puisque c est la confirmation du modèle standard de la physique des particules qui date maintenant de 1972!!! Je vous propose de faire le point sur cette étrange particules (selon nos critères), ce qu est le modèle standard et sur les véritables implications philosophiques de cette découverte. Vous n y connaissez rien en physique des particules? Ce n est pas grave, bien au contraire Association ALDÉRAN - Conférence 1000-328 : La découverte du boson de Higgs - 21/09/2012 - page 2

LA DÉCOUVERTE DU BOSON DE HIGGS événement scientifique, non-événement philosophique PLAN DE LA CONFÉRENCE PAR ÉRIC LOWEN Dieu est capable de créer des particules de matière différentes par leur taille et par leur forme... peut-être par leur densité et par leur force, et de varier par là les lois de la Nature, de faire qu il y ait plusieurs sortes de mondes dans plusieurs parties de l Univers. Je ne vois du moins nulle contradiction en cela. Isaac Newton Traité d optique I LA DÉCOUVERTE 1 - L annonce le 4 juillet 2012 par le CERN de la découverte d un nouveau boson par le LHC 2 - Des particules détectées indirectement en 2011 et 2012 dans les détecteurs du LHC 3 - Il s agit vraisemblablement du boson de Higgs 4 - Une des pièces clefs du modèle standard, dont l existence est prédite depuis 1964 5 - Une annonce qui a déclenchée bien des rumeurs sur la particule de dieu II RETOUR SUR LE MODELE STANDARD 1 - Le modèle standard en physique des particules 2 - Son élaboration en 1972 au terme d une dizaine d années de recherche 3 - Des succès expérimentaux et observationnels prodigieux (les bosons W et Z en 1983) 4 - Un modèle à ce jour incontesté 5 - La course aux accélérateurs, dont le LHC est l aboutissement 6 - Le modèle standard n est pas une théorie ultime III HISTOIRE DE LA CONSTRUCTION DU MODÈLE STANDARD 1 - La physique des particules, une nouvelle physique née avec le 20ème siècle 2 - Les surprises des années 60, l explosion du nombre des particules 3 - Jusqu alors seules les interactions électromagnétiques étaient comprises, l électrodynamique quantique 4 - La première étape : En 1954, l idée de l invariance de jauge avec les équations de Yang-Mills 5 - La seconde étape : En 1964, la description de l interaction faible par Robert Brout, François Englert et Peter Ware Higgs 6 - La troisième étape : En 1967, la synthèse de ces deux équations par Sheldon Lee Glashow, Steven Weinberg et Abdus Salam 7 - La quatrième étape : En 1970, la renormalisation mathématique par Gerard't Hooft et Martinus Veltman 8 - La cinquième étape : En 1972, l extension du modèle à l interaction forte 9 - Un modèle achevé en 1972, construit en 5 ans! IV QUELQUES PRINCIPES DU MODÈLE STANDARD 1 - Une physique de champs, une physique quantique des particules élémentaires 2 - À chaque champ une particule : photon, gluon, boson et graviton (?) 3 - Les particules de matières (fermions) et les particules médiatrices des interactions (bosons) 4 - Les bosons, les particules des interactions V LE BOSON DE HIGG 1 - Peter Higgs, physicien britannique (né en 1929) 2 - La théorisation du champ de Higgs et d un boson correspondant en 1964 3 - Un boson lié à l interaction faible Association ALDÉRAN - Conférence 1000-328 : La découverte du boson de Higgs - 21/09/2012 - page 3

4 - Du champ de Higgs au boson de Higgs 5 - Une particule prédite par la théorie et nécessaire à la théorie 6 - Le début d une traque prodieuse dans de gigantesques collisionneurs de particules 7 - Ce n est pas le boson de Higgs qui donne la masse, mais le champ de Higgs 8 - Nous ne sommes pas entourés de bosons de Higgs 9 - Les inconnues sur le boson de Higgs avant sa découverte 10 - Une particule dont l étude ne fait que commencer VI LA PORTÉE DE LA DÉCOUVERTE 1 - Une extraordinaire réussite scientifique, mathématique, technique et épistémologique 2 - Une découverte supplémentaire dans plus d un siècle de découvertes en physique des particules 3 - Une découverte confirmative et non pas révolutionnaire 4 - Une confirmation de la théorie electrofaible, près de 50 ans après 5 - Un rattrapage de la physique théorique par la physique expérimentale 6 - La énième confirmation des orientations de la physique depuis le 20ème siècle 7 - Les implications matérialistes et anti-essentialistes de la physique atomique et quantique sont déjà intégrés depuis un siècle 8 - Donc philosophiquement, une découverte sans impact notable autre que confirmatif VII CONCLUSION 1 - Non pas la fin de la recherche, mais une nouvelle étape dans le progrès de notre connaissance de la physique des particules 2 - Une étape pour progresser dans la physique fondamentale et dépasser le modèle standard ORA ET LABORA Association ALDÉRAN - Conférence 1000-328 : La découverte du boson de Higgs - 21/09/2012 - page 4

Document 1 : Peter Ware Higgs est né le 29 mai 1929 à Wallsend, dans la banlieue de Newcastle. Jusqu à récemment, il occupait une chaire de physique à l'université d'édimbourg ; il est maintenant professeur émérite. Il est surtout connu pour avoir proposé, dans les années 1960 et simultanément à d'autres chercheurs, une rupture de symétrie dans la théorie des particules, concernant la force électrofaible, expliquant notamment l'origine de la masse des particules élémentaires, et plus particulièrement les bosons W et Z. Ce mécanisme est appelé mécanisme de Brout-Englert-Higgs. Peter Higgs, 40 ans de recherche fondamentale. Peter Higgs n'a pas été le seul à proposer un mécanisme pour expliquer les masses des particules pendant les années 1960. Mais il a été le premier à parler d'une particule (un boson) associée à ce mécanisme. Peter Higgs devant les équations décrivant sa théorie de la brisure de symétrie, donnant une masse à des bosons de jauge. Peter Tuffy, University of Edinburgh Personal homepage : http://www2.ph.ed.ac.uk/peter-higgs/ Association ALDÉRAN - Conférence 1000-328 : La découverte du boson de Higgs - 21/09/2012 - page 5

Document 2 : La physique des particules cherche à comprendre les constituants ultimes de la matière et les forces fondamentales qui régissent le comportement de ces particules élémentaires. Un des moyens de trouver ces réponses sont les accélérateurs de particules qui permettent d explorer la matière à des niveaux toujours plus petits, Les accélérateurs de particules sont en fait des super microscopes permettant d'inspecter la matière. Le LHC, ou grand collisionneur de Hadrons, est à ce jour le plus puissant. Les hadrons étant des particules sensibles à l'interaction forte, le nom vient du grec qui veut dire fort, ce sont des baryons (neutrons, protons) ou des mésons ; le contraire de hadrons, ce sont des leptons, particules comme l'électron ou le neutrino, sensibles à l'interaction faible. Des particules chargées (protons par exemple) sont collisionnées entre-elles et on observe les nouvelles particules créées. Plus l'énergie est grande et plus la pénétration est grande. Le LHC (Large Hadron Collider), au CERN (Organisation européenne pour la recherche nucléaire), est certainement la plus grande machine scientifique au monde. Voici quelques chiffres le concernant : 11 245 tours d'anneau de 27 kilomètres sont effectués chaque seconde par les protons filant à 99,9 % de la vitesse de la lumière. L'objectif est de les fracasser les uns contre les autres pour étudier les caractéristiques des particules produites. 1,9 degré Kelvin C'est la température (environ -271 degrés Celsius) des aimants permettant d'incliner et de contrôler la trajectoire des protons. 120 MW La puissance électrique à fournir pour le grand collisionneur de hadrons (LHC) est l'équivalent des besoins du canton de Genève. 12 500 tonnes Avec 21 mètres de long et 15 mètres de diamètre, CMS est le détecteur le plus lourd. 46 mètres Atlas, avec ses 25 mètres de diamètre pour 7 000 tonnes, est quant à lui le détecteur le plus long. 300 Mo par seconde de données sont générées au sein de chaque détecteur, soit encore neuf kilomètres de DVD empilés les uns sur les autres par année. 4,98 milliards de francs suisses (plus de 4 milliards d'euros) : c'est le coût de construction de l'accélérateur LHC. Le budget annuel du CERN est de 935 millions de francs suisses (775 millions d'euros) pour 2 400 personnels permanents. Les détecteurs CMS et Atlas ont coûté chacun moins de 600 millions de francs suisses (497 millions d'euros). Association ALDÉRAN - Conférence 1000-328 : La découverte du boson de Higgs - 21/09/2012 - page 6

Tunnel du LHC avec tube contenant les électroaimants supraconducteurs. Il est situé près de Genève, à cheval sur la frontière franco-suisse, à environ 100 mètres sous terre. Dans ce gigantesque anneaux, deux faisceaux de particules subatomiques de la famille des «hadrons» (des protons ou des ions de plomb) circuleront en sens inverse à l intérieur de l accélérateur circulaire, emmagasinant de l énergie à chaque tour. En faisant entrer en collision frontale les deux faisceaux à une vitesse proche de celle de la lumière et à de très hautes énergies, le LHC va recréer les conditions qui existaient juste après le Big Bang. Le LHC comprend 9300 aimants supraconducteurs. Tous les aimants sont pré-refroidis à l azote liquide (10.000 tonnes) à une température -193,2 C (80 K) puis portés à -271.3 C (1.9 K) à l aide d Hélium liquide (60 tonnes d'hélium liquide ). Il y a principalement 4 grandes expériences installées dans le LHC : - ALICE : Collisions d ions de plomb pour rechercher des particules nées du Big Bang mais disparues aujourd hui. - ATLAS : Recherche du boson de Higgs, recherche de particules super-symétriques (matière noire), de possibles nouvelles dimensions spatiales - CMS : Mêmes objectifs qu'atlas, mais avec des détecteurs différents. - LHCB : Recherche d'antimatière. Association ALDÉRAN - Conférence 1000-328 : La découverte du boson de Higgs - 21/09/2012 - page 7

Document 3 : Dans la physique fondamentale, il existe 4 interactions fondamentales dans l'univers. - La force de gravitation : Familière à tous, elle régit la valse des planètes autour du soleil, maintient les hommes sur terre, etc. c'est pourtant la force la plus faible. - La force électromagnétique : Responsable de la cohésion des atomes et de la matière dans son ensemble, de l'existence de la lumière et des ondes électromagnétiques (onde radio, micro onde, rayons X, UV etc.), et du champ magnétique terrestre par exemple. - L'interaction forte : Qui est responsable de la cohésion du noyau atomique (constitué de protons chargés positivement, et de neutrons), qui se manifeste tous les jours dans les centrales nucléaires ou dans le soleil. Elle est responsable de la cohésion des noyaux atomiques. - L'interaction faible : Est responsable d'un certain type de désintégration radioactive, la radio-activité bêta, elle permet au Soleil de briller. Rayon d'action très court. Association ALDÉRAN - Conférence 1000-328 : La découverte du boson de Higgs - 21/09/2012 - page 8

Document 4 : La théorie quantique des champs est un formalisme décrivant les différentes interactions fondamentales (sauf la gravitation), prenant en compte les lois de la mécanique quantique et les propriétés des particules. Ces théories, basées sur des groupes de symétrie, ou groupe de Lie, donnent des résultats infinis, mais grâce à des méthodes mathématiques rigoureuses, appelées renormalisation, ces théories peuvent donner des résultats finis, ce genre de champ sont appelés théorie de Yang-Mills. Pour décrire ces interactions, il faut des particules vecteurs de l'interaction, ayant une masse nulle (ce qui est vrai pour le photon pour l'électromagnétisme, et les gluons pour l'interaction forte). Seule l'interaction faible n'entre pas dans ce formalisme. L'on appelle ce formalisme : invariance de jauge locale. Ces invariances sont basées sur des groupes de transformations, que l'on appelle Groupe de Lie. Or Glashow en 1961 a réussi à décrire les interactions faibles et électromagnétiques sous le même formalisme (basé sur l'introduction de 4 champs, se mélangeant pour donner le photon, les bosons W+ et W-, et une nouvelle particule le Z0, prédisant de ce fait les courants neutres qui seront observés en 1973 au CERN). Mais on ne comprenait pas pourquoi certaines particules possédaient telle masse ou telle autre possédaient au contraire une masse nulle. Pour résoudre ce problème, les physiciens Robert Brout, François Englert et Peter Higgs introduisirent un champ scalaire, porté par le boson éponyme, permettant de conférer une masse à des particules ayant à l'origine une masse nulle. Lorsque ce champ acquiert une valeur moyenne non nulle à basse énergie dans le vide, celui-ci confère une masse non nulle aux particules sensibles à ce champ. Ce procédé fut appliqué par Salam et Weinberg en 1967. Selon cette théorie, les particules acquièrent une masse en interagissant avec le champ de Higgs. C'est lui qui conférerait des masses à toutes les autres particules, ainsi qu'au boson de Higgs. La masse d'une particule dépendrait donc de son degré d'interaction avec ce champ de Higgs, et les particules qui n interagisseraient pas avec ce champ ne possèderaient aucune masse (comme le photon par exemple). Simulation de la désintégration d'un boson de Higgs dans le détecteur CMS du LHC. Association ALDÉRAN - Conférence 1000-328 : La découverte du boson de Higgs - 21/09/2012 - page 9

Document 5 : Les trois forces fondamentales décrites par le modèle standard opèrent de façon analogue : les particules de matière (les fermions de spin 1/2) échangent des particules médiatrices de spin 1, nommées bosons de jauge. Le boson de l'interaction électromagnétique est le photon, ceux de l'interaction faible sont les W+, W- et le Z. Quant aux huit gluons portant les différentes combinaisons possibles de couleur et d'anticouleur, ils sont les médiateurs de l'interaction forte entre quarks. Le boson de jauge de l'interaction gravitationnelle serait le graviton, mais son existence reste encore hypothétique (sa recherche est au coeur des prochains enjeux de la physique fondamentale). La masse de la particule mise en évidence : 125 Gev, soit 130 fois la masse d un atome d Hydrogène (0,938 Gev). Association ALDÉRAN - Conférence 1000-328 : La découverte du boson de Higgs - 21/09/2012 - page 10

Document 6 : Présentation des bosons de jauge et de leurs fonctions. Association ALDÉRAN - Conférence 1000-328 : La découverte du boson de Higgs - 21/09/2012 - page 11

Document 7 : Les interactions du modèle standard se traduisent par l échange de particules médiatrices entre particules de matières (ici électrons e ; des neutrinos électroniques Ve, des quarks q). Alors que dans les interactions électromagnétiques la particule médiatrice est le photon, dans les interactions faibles, ce sont les bosons W et Z, et dans l interaction forte, les gluons (g). Association ALDÉRAN - Conférence 1000-328 : La découverte du boson de Higgs - 21/09/2012 - page 12

Document 8 : Le champ de Higgs constitue un champ scalaire, qui procure une masse aux particules qui le traversent. Association ALDÉRAN - Conférence 1000-328 : La découverte du boson de Higgs - 21/09/2012 - page 13

Document 9 : Le boson de Higgs, et après? John Ellis, Pour la Science N 419 - Septembre 2012. Association ALDÉRAN - Conférence 1000-328 : La découverte du boson de Higgs - 21/09/2012 - page 14

DÉCOUVREZ NOTRE AUDIOTHÈQUE pour télécharger cette conférence, celles de la bibliographie et des centaines d autres Tous nos cours et conférences sont enregistrés et disponibles dans notre AUDIOTHÈQUE en CD et DVD. Des milliers d enregistrements à disposition, notre catalogue est sur notre site : www.alderan-philo.org. Plusieurs formules sont à votre disposition pour les obtenir : 1 - PHILO UPLOAD : un abonnement annuel pour un libre accès à la totalité des enregistrements disponibles. Présentation sur notre site internet ou envoyez-nous un email avec le code PHILO UPLOAD et laissez-vous guider en quelques clics : audiotheque@alderanphilo.org 2 - TÉLÉCHARGEMENT : vous commandez la conférence ou le cycle qui vous intéresse via internet. C est rapide et économique. Envoyez-nous un email avec le code de la conférence et laissez-vous guider en quelques clics : audiotheque@alderan-philo.org 3 - VENTE PAR CORRESPONDANCE : vous trouverez des bons de commande à tarif préférentiel dans notre CATALOGUE AUDIOTHÈQUE, sur notre site et à la MAISON DE LA PHILOSOPHIE. 4 - À la MAISON DE LA PHILOSOPHIE à Toulouse. Pour renseignements et commandes, contactez la MAISON DE LA PHILOSOPHIE au 05.61.42.14.40 (du mardi au vendredi, de 14H à 18H), par email : philo@alderan-philo.org ou par notre site internet : www.alderan-philo.org. Association ALDÉRAN - Conférence 1000-328 : La découverte du boson de Higgs - 21/09/2012 - page 15

POUR APPROFONDIR CE SUJET, NOUS VOUS CONSEILLONS - Les cours et conférences sans nom d auteurs sont d Éric Lowen - Quelques livres et revues sur le sujet - Cent ans de particules, Jérémy Bernstein, Pour la science N 419 - Septembre 2012 - Le boson de Higgs, et après? John Ellis, Pour la science N 419 - Septembre 2012 - C. Quigg, Le Higgs et autres quêtes du LHC, Dossier Pour la science, n 62, janvier-mars 2009 - Des Géants pour traquer l'infiniment petit, Patrick Janot, Pour la science N 361, nov. 2007 - Dépasser le modèle standard, Jean Lliopoulos, Pour la science N 361, nov. 2007 Association ALDÉRAN - Conférence 1000-328 : La découverte du boson de Higgs - 21/09/2012 - page 16