Le boson scalaire.

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La prédiction du boson scalaire par Robert Brout, François Englert et Peter Higgs

http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/70717.htm

Une grande excitation règne au CERN à propos de l'annonce d'une possible découverte, ou en tout cas d'une forte avancée, dans le royaume des particules élémentaires : il s'agit de la recherche de la particule qui donne une masse à toutes les autres particules élémentaires, le fameux "boson scalaire", souvent appelé également "boson de Brout-Englert-Higgs", ou tout simplement "boson de Higgs".

Ce "maillon manquant" parmi les constituants les plus fondamentaux de la nature a été prédit il y a 48 ans par deux physiciens de l'Université libre de Bruxelles (ULB), Robert Brout et François Englert, et par Peter Higgs, de l'Université d'Edimbourg.

Alors que l'heure de vérité approche concernant l'existence de cette particule, il est sans doute utile de mettre en perspective le cheminement de sa prédiction.

Les articles originaux
L'article d'Englert et Brout et les deux articles de Higgs furent publiés en 1964, indépendamment et presque simultanément (voir chronologie ci-dessous). Ils établissaient le mécanisme dit de "brisure de symétrie" en théorie quantique des champs, la théorie qui décrit toutes les interactions fondamentales de la nature (sauf à ce jour la gravitation). Ce mécanisme implique l'existence d'une particule auxiliaire, un boson scalaire.

Les travaux de Brout-Englert et de Higgs ont ainsi fourni un élément décisif dans la construction du "Modèle Standard" des particules élémentaires. Plus tard dans l'année 1964, G.S. Guralnik, C.R. Hagen et T.W.B. Kibble ont à leur tour étudié ces questions, et leur article - qui cite ceux d'Englert-Brout et de Higgs - discute certains aspects plus techniques.

Le Modèle Standard constitue la théorie la plus précise et la plus complète jamais construite pour comprendre les interactions fondamentales de la nature. Le mécanisme de brisure de symétrie, qui forme une partie essentielle du Modèle Standard, montre comment des interactions à très courte distance entre particules élémentaires, comme la force nucléaire faible responsable de la désintégration radioactive, et des interactions à longue distance, comme l'interaction électromagnétique de portée infinie, peuvent avoir une origine commune. Sur base de ces idées, les théoriciens Sheldon Glashow, Abdus Salam et Steven Weinberg construisirent une théorie unifiant les interactions électromagnétique et faible, qui leur valut le prix Nobel en 1979. La découverte au CERN en 1983 des bosons massifs W et Z prédits par cette théorie valut l'année suivante le prix Nobel aux expérimentateurs Carlo Rubbia et Simon van der Meer.

Chronologie
Articles Date de réception Date de publication

F. Englert and R. Brout
Phys. Rev. Letters 13 (1964) 321 26/06/1964 31/08/1964
P.W. Higgs
Phys. Letters 12 (1964) 132 27/07/1964 15/09/1964
P.W. Higgs
Phys. Rev. Letters 13 (1964) 508 31/08/1964 19/10/1964
G.S. Guralnik, C.R. Hagen and T.W.B. Kibble
Phys. Rev. Letters 13 (1964) 585 12/10/1964 16/11/1964

Reconnaissance internationale
Les mérites exceptionnels pour la physique moderne des travaux de Brout, Englert et Higgs ont été reconnus par l'attribution de nombreux prix, dont les prix scientifiques les plus prestigieux en physique - excepté à ce jour le prix Nobel :
- le prix de la Société Européenne de Physique, division Hautes Energies et Particules, fut attribué à Brout, Englert et Higgs en 1997, "pour avoir formulé pour la première fois une théorie auto-consistante de bosons vecteurs chargés massifs, qui est devenue la base de la théorie électrofaible des particules élémentaires" ;
- le prix de Physique de la Fondation Wolf leur fut attribué en 2004 "pour leurs travail pionnier qui a élucidé la génération de la masse, lorsqu'une symétrie locale de jauge est réalisée de manière asymétrique dans le monde les particules subatomiques".

Il faut noter également que les mérites uniques de Brout, Englert et Higgs sont reconnus par le Comité Nobel dans l'article de revue "Contexte scientifique du prix Nobel de Physique 2008", publiée par l'Académie royale des Sciences de Suède. Le prix Nobel 2008 étant attribué à Yoichiro Nambu, le Comité écrit: "Les même idées (que celles de Nambu) furent avancées en 1964 pour la théorie de jauge relativiste par Robert Brout et François Englert, et aussi par Peter Higgs. Ils ont trouvé que la rupture spontanée d'une symétrie de jauge, comme dans la théorie non-relativiste de Nambu, ne produit pas une particule sans masse. Au contraire, ce mécanisme confère au champ vectoriel une masse et un état scalaire, la particule à ce jour toujours hypothétique de Higgs, qui est aussi un trait caractéristique de cette théorie".

Contrairement à certaines assertions, ce document reconnaît que les articles de Brout-Englert et de Higgs contiennent non seulement la description du mécanisme de rupture de symétrie, mais aussi la prédiction du boson "de Higgs".

Enfin, le prix JJ. Sakurai pour la Physique théorique de la Société américaine de Physique fut attribué en 2010 conjointement à Brout, Englert, Guralnik, Hagen, Higgs et Kibble "pour l'élucidation des propriétés de la brisure spontanée de symétrie dans une théorie relativiste de jauge à quatre dimensions et du mécanisme consistent de la génération des masses des bosons vecteurs". L'attribution de ce prix américain à une liste élargie d'auteurs, comprenant

Guralnik, Hagen, and Kibble, ne jette en aucune manière un doute sur les mérites de premier rang de Brout, Englert et Higgs.

Une mise au point de Steven Weinberg
Dans une contribution publiée en mai 2012 sur le site de la New York Review of books, Steven Weinberg, prix Nobel 1979, revient sur l'histoire : "Dans son livre récent (...), Frank Close souligne qu'une erreur de ma part est partiellement responsable de l'expression "boson de Higgs". Dans mon papier de 1967 sur l'unification des forces faible et électromagnétique, j'ai cité le travail de 1964 de Peter Higgs et de deux autres groupes de théoriciens. (...) Quant à ma responsabilité dans le nom de "boson de Higgs", elle est due à une erreur dans ma lecture des dates de ces trois premiers papiers : j'ai cru que le plus ancien était celui de Higgs, de sorte qu'en 1967 j'ai cité Higgs en premier lieu, et j'ai continué à le faire depuis.

Apparemment, d'autres physiciens m'ont suivi. Mais comme le signale Close, le premier papier des trois que je citais était en fait celui de Robert Brout et François Englert. Pour atténuer mon erreur, il faut remarquer que Higgs et Brout et Englert ont travaillé indépendamment et à peu près en même temps, ce qui fut aussi le cas du troisième groupe (Gerald Guralnik, C.R. Hagen et Tom Kibble). Mais le nom de "boson de Higgs" semble lui être resté". (Rappelons cependant à propos de la dernière phrase que Guralnik, Hagen et Kibble citent dans leur article les travaux de Englert-Brout et Higgs).

En conclusion...
Si le boson scalaire doit être découvert au LHC, cela constituera la vérification du travail visionnaire de Robert Brout, François Englert et Peter Higgs. Cette reconnaissance s'accompagnera cependant de tristesse, car Robert Brout nous a quittés en mai 2011.

Le boson de Higgs se confirme.

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Moins d’un mois après l’annonce de la découverte d’une particule compatible avec le boson de Higgs prédit par le modèle standard, l’équipe de l’expérience ATLAS du LHC vient de publier de nouveaux résultats qui affinent l’estimation de sa masse et éloignent définitivement l’éventualité d’une fausse détection. La masse est désormais estimée à 126+ /-0,4 GeV avec une significativité des observations de 5,9 sigma, soit une chance sur 1,7 milliard que le signal détecté soit dû au hasard.

Source : arXiv, 31 juillet 2012 (arXiv:1207.7214v1)

Mise en ligne le 02/08/2012

Le boson de Higgs laisse certains scientifiques sur leurs faims!

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Les réactions après l’annonce mercredi de la découverte du boson de Higgs ne sont pas toutes enthousiastes. Certes, pour l’immense majorité des scientifiques, il s’agit d’une des plus grandes victoires de la physique moderne et « un autre grand bond pour l’humanité », pour reprendre les mots du président du conseil du Cern, Michel Spiro. Mais pour d’autres, la joie est teintée de déception, à l’image du physicien et cosmologiste Stephen Hawking. S’il considère que cette découverte mérite un Prix Nobel, il a déclaré à la BBC qu’elle était « dommage dans un sens, car les grandes avancées dans le domaine de la physique proviennent d’expériences dont les résultats sont inattendus ».

Quelques semaines avant la conférence du Cern, Futura-Sciences expliquait déjà que « la pire déception serait certainement que l’on annonce dans quelques mois que l’on a trouvé un seul boson de Higgs avec des propriétés identiques à celles prédites par le modèle standard. Si tel était le cas, il y a gros à parier que le LHC n’aurait servi à rien et que même les successeurs du LHC (Large hadron collider, l’accélérateur de particules du Cern, ndlr) ne seront pas vraiment en mesure de nous donner des signes d’une nouvelle physique. »

Car cette découverte, finalement, ne fait « que » confirmer une théorie qui était déjà largement acceptée. Les chercheurs voulaient trouver le boson depuis un demi-siècle, ils l’ont trouvé. Le directeur général du Cern était d’ailleurs laconique, mercredi, en annonçant : « Je pense que nous l’avons trouvé ».

Le boson de Higgs était un postulat du physicien écossais Peter Higgs, émis en 1964, et son existence est essentielle dans le cadre du « modèle standard » de la physique des particules. C’est lui qui permet d’expliquer pourquoi certaines particules ont une masse et d’autres n’en ont pas.

Le problème, c’est que ce modèle standard ne décrit pas toutes les forces qui animent l’Univers, et possède encore plusieurs zones d’ombre. Pour les éclairer, de nombreuses théories ont été proposées : des nouvelles dimensions, de nouvelles particules, des mini-trous noirs… Or, en prouvant l’existence du boson de Higgs sans valider aucune de ces nouvelles théories, l’accélérateur de particule du Cern laisse beaucoup de questions en suspens, rappelle le New Yorker.

Pour le scientifique britannique Stephen Wolfram, « homme le plus intelligent du monde » selon The Atlantic, le modèle de Higgs est un peu comme un « hack », une tricherie. Sur son blog, il explique avoir espéré depuis 35 ans que « finalement, on trouverait quelque chose de plus élégant et de plus profond pour expliquer quelque chose d’aussi fondamental que la masse des particules. Mais on dirait bien que la nature a choisi une solution simple au problème : le mécanisme de Higgs dans le modèle standard. »

Le scientifique continue en expliquant que « si le modèle standard est correct, l’annonce [de mercredi] est certainement la dernière découverte majeure que pourrons nous offrir les accélérateurs de particules actuels. Bien sûr, on peut toujours avoir une surprise, mais je ne parierais pas dessus. »

Déjà en 2008, Wired écrivait que la découverte du boson, rien que le boson, serait le pire scenario que pourrait offrir le LHC. « Ca ne confirmerait que ce que l’on sait déjà, sans faire avancer la science : quel ennui. » Le journaliste Adam Mann précise cette pensée : « Le boson de Higgs est déjà un peu trop ordinaire ».

Les scientifiques ne perdent néanmoins pas espoir. Notamment parce que cette découverte ouvre la porte à de nouvelles recherches. « Est-ce qu’on peut appliquer cette découverte à quelque chose ? Pour le moment, mon imagination est insuffisante. Comme l’imagination de Michael Faraday était bien trop petite pour envisager tout ce qu’il pouvait faire avec l’électricité lorsqu’il l’a découverte», a déclaré Albert de Roeck, physicien du Cern, à la Tribune de Genève.

Maria Spiropulu, professeur au California Institue of Technology, a elle expliqué au New York Times qu’elle avait toujours espoir d’être surprise par le boson. « Je ne veux pas que ça soit une histoire de modèle standard. Je ne veux pas que ça soit simple, ou symétrique, ou ‘comme prévu’. Je veux que cette découverte soit si complexe qu’elle m’envoie –qu’elle nous envoie tous- dans une impasse pendant un bon moment. »

Et dans tous les cas, rappelle Futura-Sciences, il reste encore des territoires« où l’humanité pourra progresser encore, en particulier technologiquement » : les neurosciences, la bio-informatique, l’information quantique, l’astrobiologie, la nanotechnologie et l’astronautique.

Découverte du boson de Higgs au CERN!

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Les scientifiques du CERN ont découvert une nouvelle particule subatomique, le boson de Higgs, a annoncé mercredi Fabiola Gianotti, porte-parole de l'équipe internationale 

"Nous disposons d'éléments attestant l'existence d'une nouvelle particule avec un niveau de fiabilité de 5 sigma [5 risques d'erreurs sur 10 millions]", a indiqué Mme Gianotti citée dans un communiqué du CERN. Elle a précisé que "la masse de la particule était de 126 gigaélectron-volts (GeV)". 

Le boson de Higgs comme un élément fondamental de la matière, car son existence maintenant établit, détermine la masse de toutes les autres particules dans l'univers.

Nouveau record pour le LHC!

Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN a établi vendredi un nouveau record du monde d'intensité de faisceau auprès d'un collisionneur de hadrons, faisant entrer en collision des faisceaux avec une luminosité de 4, 67 x 1032cm-2s-1. Ce nouveau record mondial pulvérise le précédent, de 4,024 x 1032cm-2s-1, détenu depuis 2010 par le collisionneur Tevatron du Laboratoire national de l'accélérateur Fermi, aux États-Unis, et marque une étape importante dans la mise en service du LHC.
"L'intensité de faisceau étant la clé du succès du LHC, c'est une avancée très importante", a déclaré le Directeur général du CERN, Rolf Heuer dans un communiqué.
"Qui dit intensité plus élevée, dit plus de données, et qui dit plus de données, dit aussi plus grand potentiel de découvertes", a- t-il ajouté.
Selon le CERN, la luminosité est une mesure du nombre de collisions se produisant dans un accélérateur de particules: plus la luminosité est élevée, plus la probabilité de collisions de particules est grande. Un point important lorsque l'on recherche des processus rares. Le boson de Higgs, par exemple, pour autant qu'il existe, sera produit très rarement. Il faudra donc une grande quantité de données pour pouvoir confirmer ou réfuter de manière incontestable son existence.
L'actuelle période d'exploitation du LHC devrait se poursuivre jusqu'à la fin de 2012. Les expériences auront ainsi le temps de recueillir suffisamment de données pour explorer complètement, dans leur quête d'une nouvelle physique, la gamme d'énergies accessibles avec des collisions à 3,5 TeV par faisceau, avant le passage à une exploitation à plus haute énergie.
D'ici la fin de la période d'exploitation actuelle, on devrait savoir si le boson de Higgs existe ou non, a expliqué le CERN.
Après deux semaines de préparation du LHC à ce nouveau niveau d'intensité de faisceau, la machine s'apprête à entrer dans une phase d'exploitation continue pour la physique, qui devrait se poursuivre jusqu'à la fin de l'année.
L'exploitation sera ensuite stoppée pour un bref arrêt technique, puis reprendra début 2012, a affirmé le CERN.
voir sur french.peopledaily

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Quoi de neuf au LHC?

Le Grand Collisionneur de Hadrons ( en Anglais LHC) est une énorme machine en forme d’anneau creux, installé au CERN près de Genève, et à cheval sur la frontière Franco-Suisse à 100 mètres de profondeur, et d’une circonférence de 27km. Il a été conçu par les physiciens pour vérifier les théories à la base de la physique moderne. Les chercheurs pensent obtenir de nouvelles réponses sur les constituants de l’infiniment petit au sein de l’univers et à l’échelle des particules. 

La matière est constituée de molécules, elles même constituées d’atomes, à leur tour constitués de noyaux et d’électrons tournant autour. Les noyaux sont également constitués de neutrons et de protons, eux-même constitués de quarks. Toutes ces particules ont une masse, et sont assemblées entre-elles grâce à des forces électromagnétiques (liant les électrons au noyau), et à des forces d’interaction forte ou faible (liant les quarks à l’intérieur des neutrons et protons). Tout cela permet d’établir ce que l’on appelle le modèle standard, l’ensemble des règles qui régissent la vie des particules élémentaires.



Les physiciens pensent que le modèle standard est insuffisant pour décrire toute la richesse de l’infiniment petit. Pour savoir quelle théorie doit succéder au modèle standard, de nouvelles données sont nécessaires. Pour ce faire il faut explorer des énergies de plus en plus élevées. Le LHC est là pour sonder ces hautes énergies. 


Ainsi les chercheurs pensent trouver avec le LHC des réponses aux questions suivantes : 


-Existe-t-il de nouvelles dimensions de l’espace ? 
-Peut-on fabriquer de mini-trous noirs ? 
-Les particules auraient-elles un « double » d’elle-même, dit supersymétrique (antimatière) ? 


Un incident est survenu en Octobre 2008 qui a retardé de presque un an le début de l’exploitation du LHC. Une fuite d’hélium due à une mauvaise connection entre deux aimants dans le secteur 3-4 du tunnel. Les sécurités ont fonctionnées, aucun danger n’a pu être constaté à la suite de l’incident. 


L'année 2011 devrait être décisive dans la mise en évidence de la matière noire. Les chercheurs du CERN qui travaillent sur le LHC estiment qu'ils n'ont jamais été aussi proches de la découverte des particules constituant la mystérieuse matière noire (ou l’antimatière décrite ci-dessus) 
Il était prévu initialement de faire fonctionner le LHC jusqu’à la fin 2011, puis de procéder à un arrêt technique afin de préparer la machine pour une exploitation à sa puissance nominale, soit 7 TeV par faisceau. Toutefois, l’excellente performance du LHC lors de sa première année d’exploitation a conduit à repenser ce calendrier. 


Les améliorations de performances du LHC attendues pour 2011 devraient permettre de multiplier par trois le taux de collecte de données par rapport à 2010. Les expériences du LHC devraient ainsi produire assez de données en 2011 pour disposer d’indices intéressants sur une potentielle « nouvelle physique ». 


Selon le calendrier annoncé aujourd’hui, le manège des particules fera son retour dans le LHC en février et la machine fonctionnera jusqu’à la fin décembre. L’exploitation sera ensuite stoppée pour un court arrêt technique, puis reprendra début 2012. 


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