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particule LHC détecteur CMS CERN modèle standard Higgs matière noire

Les particules élémentaires et les forces entre elles : bref état de nos connaissances actuelles (2016)

5. Les résultats de 2012 - Le Modèle Standard au complet (pour le moment...) (5/5)

Bernard Ille

Institut de Physique Nucléaire de Lyon

Delphine Chareyron

01/06/2016

Résumé

Cette série de 5 articles consécutifs présente l'état actuel de nos connaissances sur les briques élémentaires qui constituent la matière.


1. Le chaînon manquant du Modèle Standard

Le Modèle Standard des particules que l’on vient d’esquisser a été vérifié expérimentalement avec une grande précision et jusqu’à présent il n’a pas été mis en défaut. Mais comme on l’a signalé à plusieurs reprises, il n’explique pas la masse des particules.

Pour ce faire, il faut compléter ce Modèle en introduisant un champ de force additionnel , apparu peu après le big bang, qui remplit l’univers et qui, d’une certaine façon, ralentit ces particules à une vitesse inférieure à celle de la lumière, ce qui leur confère une masse (à la différence du photon qui va à la vitesse de la lumière). L’excitation de ce champ (quantum) est une particule neutre de spin 0 (dite scalaire) qui est le fameux boson de Higgs ou plutôt le boson Brout-Engler-Higgs (B-E-H) suivant les noms des théoriciens qui l’ont inventé en 1964. La masse de cette particule hypothétique n’est pas déterminée par la théorie.

Cette particule, qui complèterait triomphalement le MS, était activement recherchée depuis les années 1970. Il a fallu attendre 2012 et les données du LHC, le collisionneur p-p du CERN le plus puissant du monde (collisions à 8 TeV puis 13 TeV maintenant depuis 2015) pour observer une particule de masse 125 GeV qui présente toutes les caractéristiques du boson de Higgs prédites par la théorie (mode de production par fusion de gluons, mode de désintégration en deux photons ou en quatre leptons, spin compatible avec 0).

La découverte a été faite par les deux expériences ATLAS et CMS du CERN (figure 1).

Figure 1 : Vue générale du détecteur CMS au LHC du CERN : 14 000 tonnes, 20 m de long et 12 m de diamètre !

Voici deux exemples de candidat boson de Higgs observés par CMS dans deux canaux de désintégration différents (ceux de la découverte en 2012) :

1.1 Désintégration en deux photons

Figure 2 : Candidat boson de Higgs se désintégrant en deux photons (traces vertes). Données recueillis en 2012.

Figure 3 : Diagramme de Feynman illustrant la formation et la désintégration en deux photons du boson de Higgs.

Les protons entre en collision via des gluons g. Ces 2 gluons « fusionnent » (ils interagissent via une boucle de quarks top t) pour former le boson de Higgs H qui se désintègre immédiatement en 2 photons ɣ (toujours via une boucle de top) qui sont détectés dans le détecteur CMS.

1.2 Désintégration en quatre leptons

Figure 4 : Candidat boson de Higgs se désintégrant en quatre leptons : deux muons (traces rouges) et deux électrons (traces vertes). Données recueillis en 2012.

Figure 5 : Diagramme de Feynman illustrant la formation et la désintégration du boson de Higgs en deux bosons Z° qui se désintègrent chacun en deux leptons (e, μ).

La fusion de 2 gluons g produit le boson H (on n’a pas représenté ici le passage par une boucle de top), lequel boson se désintègre en deux Z°, l’un des Z° se désintégrant en paire e+ e-, l’autre se désintégrant en paire μ+ μ-.

En reconstruisant grâce aux données du détecteur le bilan en énergie de ces événements, les physiciens montrent qu’ils sont compatibles avec la création d’une particule intermédiaire (H°) qui a une masse ~125 GeV.

2. Le Modèle Standard au complet (pour le moment...)

Figure 6 : Composants fondamentaux du Modèle Standard des particules, incluant le boson de Higgs dont le rôle est de donner une masse aux particules élémentaires du tableau (et non à la matière). A partir de ces 17 composants, on explique tous les phénomènes mettant en jeu la matière connue.

De manière quantitative : derrière ce tableau présentant le Modèle Standard (figure 6), se cache un formalisme mathématique rigoureux.

A titre d’exemple voici une expression du Lagrangien, quantité décrivant la dynamique des particules du MS représentées par leurs champs. Les prédictions théoriques ont jusqu’à présent toutes été vérifiées par les données expérimentales.

3. Conclusion

Bien qu’une étape cruciale ait été franchie avec la découverte de ce que l’on pense être le boson de Higgs, on a vu à plusieurs reprises que beaucoup de questions étaient posées. L’existence de ce boson en soulève d’autres que nous n’avons pas mentionnées car trop théoriques (inhérentes à la construction mathématique du Modèle). Il est clair que toute cette construction admirable, consolidée par la découverte du boson scalaire, n’est pas finie et que le MS nécessite pour le moins des extensions, au pire d’être revu entièrement.

Un exemple typique est celui de la matière noire : on sait qu’elle existe, elle est activement recherchée, pour le moment sans succès. Elle n’est pas expliquée par le MS actuel. Un candidat de cette matière noire pourrait exister dans le cadre d’une extension du MS appelée Supersymétrie (SuSy), une nouvelle symétrie qui transformerait les bosons de spin entier en fermions de spin demi-entier, les autres caractéristiques de ces nouvelles particules (appelées s-particules) restant inchangées (charge, couleur, etc …) sauf leurs masses dont on sait déjà qu’elles sont plus élevées sinon certaines s-particules auraient été découvertes. La figure 7 schématise cette extension.

Figure 7 : Extension du Modèle Standard : le modèle SUSY.

Ces s-particules (à droite) sont notées par un ~. L’une d’entre elle serait un parfait candidat pour la matière noire. Mais on voit déjà qu’avec cette extension, la plus simple et la plus populaire parmi les physiciens, le nombre de composants élémentaires a au moins doublé ! Le paradigme de simplification en a pris un coup !

Quelques références permettant d'aller plus loin :

  • Petit voyage dans le monde des quanta, Etienne Klein (Champs sciences) pour se familiariser avec la mécanique quantique,
  • Qu’est-ce que le boson de Higgs mange en hiver et autres détails essentiels, Pauline Gagnon (Editions MultiMondes), de lecture assez aisée et bien illustrée,
  • Une introduction à l’aventure du grand collisionneur LHC ; du big bang au boson de Higgs, Daniel Denegri, Claude Guyot, Andreas Hoecker et Lydia Roos, (édition esp sciences ); excellente introduction aux concepts évoqués ici, avec beaucoup d’illustrations et d’explications,
  • Le boson et le chapeau méxicain, Gilles Cohen-Tannoudji et Michel Spiro, (folio essais, édition Gallimard) ; dans lequel les aspects évoqués dans cette note sont discutés de façon approfondie, sans trop de formalisme.

Beaucoup de figures et tableaux ont été empruntés à des exposés du CERN ou de collègues de l’IPNL et de CMS. On pourra consulter le site du CERN, celui des Masterclasses du CERN http://www.physicsmasterclasses.org/, ainsi que celui du « Particle Data Book », qui est une revue de « Review of Particle Physics », Chin. Phys. C 38, 090001 (2014) et dont le site Web est : http://pdg.lbl.gov/ pour avoir une liste complète de toutes les particules observées.

Des pages Web de l’IN2P3-CNRS : http://www.in2p3.fr/physique_pour_tous/informations/sites/sites.htm

Revue de vulgarisation « Elémentaire » du LAL (Univ. Orsay) : http://elementaire.lal.in2p3.fr/

Le « Passeport pour les 2 infinis » : http://www.passeport2i.fr/