Fonctionnement du LHC

[papy-alain]

Bonjour à tous.

J'ai un petit doute sur la nature des observations au LHC. Les différentes particules observées lors de collisions de protons sont elles "fabriquées" par l'énergie de la collision, ou sont elles "révélées" comme constituants de la matière ? Si je pose cette question, c'est parce qu'une contradiction m'apparaît en ce sens que, par exemple, les nucléons sont constitués de quarks, que l'on considère donc comme des sous-particules des nucléons, mais, par contre, les bosons de Higgs ne feraient pas partie de la matière et seraient même absents du champ de Higgs sans une énergie suffisante pour les faire "apparaître". Où est la vérité ?
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[Gilgamesh]

Que ce soient des quarks, des pions, des bosons Z ou des bosons de Higgs ils sont crées à partir de l'énergie de la collision, la seule contrainte étant de respecter les lois de conservation.

[Deedee81]

Salut,

Ch'tit complément.

A faible énergie, on a juste une diffusion. Une particule comme le proton peut alors être considérée comme élémentaire. Mais c'est vrai aussi des atomes par exemple.

A forte énergie. Les objets composites peuvent éclater en leurs constituants. C'est le cas des atomes qui peuvent s'ioniser en perdant leurs électrons (voire provoquer un chamboulement des noyaux). Mais pour le proton, ce n'est pas possible car il est impossible d'isoler les quarks. On reste dans le premier cas.

Enfin, à très haute énergie. Quels que soient les constituants. Cette énergie (modulo les lois de conservation) est convertie en un flot de particules. Les composants initiales se retrouvant ou pas dans les produits finis (notons que, mécanique quantique et indiscernabilité des particules oblige, si tu retrouves disons un quark d à la fin, dans un proton, un méson,... il est impossible de dire si c'est un des quarks de départ ou pas. Impossible au sens fort : cela n'a même pas de sens de faire la distinction. A tel point que cette distinction impossible à un impact sur les résultats, par exemple dans les collisions à énergie modérée de noyaux d'hélium pouvant induire ni vu ni connu un échange de nucléons, c'est un exemple donné dans le cours de Feynman).

[papy-alain]

Donc, si on éclate un proton, on ne retrouve pas nécessairement les trois quarks dont il est normalement constitué ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Deedee81]

Donc, si on éclate un proton, on ne retrouve pas nécessairement les trois quarks dont il est normalement constitué ?

Si, mais pas isolément. Pendant un bref instant (à courte distance) ils vont agir comme des particules habituelles, interagir avec d'autres particules (quarks ou autres), subir des diffusions, créer des particules, etc.... Mais au final ils se retrouvent toujours combinés par paires ou triplets (confinement).

En fait, à très haute énergie (très courte distance), les quarks agissent comme des particules libres (l'interaction forte augmente avec la distance, à l'inverse des autres interactions).

[papy-alain]

Si, mais pas isolément. Pendant un bref instant (à courte distance) ils vont agir comme des particules habituelles, interagir avec d'autres particules (quarks ou autres), subir des diffusions, créer des particules, etc.... Mais au final ils se retrouvent toujours combinés par paires ou triplets (confinement).

En fait, à très haute énergie (très courte distance), les quarks agissent comme des particules libres (l'interaction forte augmente avec la distance, à l'inverse des autres interactions).

Bon, donc, d'une manière ou d'une autre, on retrouve la trace des constituants. Mais pour le boson de Higgs, comment peut on être sûr qu'il ne fait pas partie de la matière, intrinsèquement ?

[Deedee81]

Bon, donc, d'une manière ou d'une autre, on retrouve la trace des constituants. Mais pour le boson de Higgs, comment peut on être sûr qu'il ne fait pas partie de la matière, intrinsèquement ?

Si un truc de 125 Gev faisait partie d'une particule, on le saurait. Ou alors c'est que l'énergie n'est pas conservée

[Zefram Cochrane]

Quid de la supersymétrie, elle est confirmée ou pas?

[Gilgamesh]

Non. C'est la prochaine étape (très) attendue : détecter une particule supersymétrique.

[papy-alain]

Je n'ai toujours pas compris comment la matière peut interagir avec le champ de Higgs, alors que celui-ci est vide, puisque les bosons de Higgs n'existent pas dans cet état fondamental. Je sais qu'on en a déjà parlé, mais ça me dépasse.

[Gilgamesh]

De la même façon qu'un clou interagit avec le champ magnétique crée par un aimant.

[Zefram Cochrane]

J'avais lu quelque part que pour valider la théorie, il fallait que le Bonson de Higgs devait avoir une masse < 130 fois celle du proton (122 GeV). or la masse du boson de Higgs est de 125.3 Gev. Cela n'invalide pas cette théorie?

[Gilgamesh]

Jamais entendu/lu ça...

[Garion]

De la même façon qu'un clou interagit avec le champ magnétique crée par un aimant.

Idem pour la gravité avec le champs de gravitation (qui ne contient pas forcément de graviton).

[Zefram Cochrane]

j'ai du faire erreur,
http://www.futura-sciences.com/fr/ne...-baglio_37340/

[Gwyddon]

Bonjour,

J'avais lu quelque part que pour valider la théorie, il fallait que le Bonson de Higgs devait avoir une masse < 130 fois celle du proton (122 GeV). or la masse du boson de Higgs est de 125.3 Gev. Cela n'invalide pas cette théorie?

Je ne connais pas le bonson de Higgs

Je ne sais pas où tu avais lu ça, mais c'est complètement faux. Les bornes théoriques d'un boson de Higgs Standard sont, grossièrement, une masse supérieure à 50 GeV et une masse inférieure à 750 GeV. Après si l'on tient compte des données dites de précisions, un boson de Higgs d'une masse supérieure à 180 GeV était peu probable.

Donc l'observation colle parfaitement !

Au passage, une masse de 125.3 GeV, pareil je ne sais pas où tu as été chercher ce nombre, qui ne veut rien dire... ATLAS a un excès autour de 126.5 GeV, et CMS autour de 125 GeV, donc avant d'avoir une masse aussi précise, au dixième près, il va falloir attendre !

Cordialement,

G.

EDIT : je viens de voir ton dernier message, où as-tu vu dans l'interview une quelconque mention d'un rapport entre la masse du proton et la masse du boson de Higgs ?

Je me serais pendu si j'avais raconté une telle chose dans l'article

[papy-alain]

De la même façon qu'un clou interagit avec le champ magnétique crée par un aimant.

Idem pour la gravité avec le champs de gravitation (qui ne contient pas forcément de graviton).

Qu'il s'agisse d'un champ magnétique ou d'un champ gravitationnel, il ne sont pas dans leur état fondamental, sinon il n'y aurait aucune interaction. Dans un champ électromagnétique, le photon est en quelque sorte l'excitation locale de ce champ. De même, loin (très loin) de tout objet massif, il y a absence de gravité, le champ est donc dans son état fondamental, et donc il n'y a pas d'interaction gravitationnelle. Mais pour le champ de Higgs, quel est le quantum d'interaction en l'absence du boson de Higgs ?

[Deedee81]

Salut,

Qu'il s'agisse d'un champ magnétique ou d'un champ gravitationnel, il ne sont pas dans leur état fondamental, sinon il n'y aurait aucune interaction. Dans un champ électromagnétique, le photon est en quelque sorte l'excitation locale de ce champ. De même, loin (très loin) de tout objet massif, il y a absence de gravité, le champ est donc dans son état fondamental, et donc il n'y a pas d'interaction gravitationnelle. Mais pour le champ de Higgs, quel est le quantum d'interaction en l'absence du boson de Higgs ?

Ta question revient à demander (si je comprend bien) "quelle est la nature de l'interaction entre le champ de Higgs et les autres champs ?". Interaction EM, faible, forte,... ? A confirmer mais je crois que la réponse est : aucun. C'est un couplage direct entre le champ de Higgs et les autres champs. Il est son propre vecteur de l'interaction (c'est ce qu'on appelle un champ scalaire avec "auto-interaction", ce qui explique qu'il a lui-même une masse) et ce sont les fluctuations quantiques qui permettent un effet même si l'énergie est trop faible pour permettre d'observer un Higgs libre.

[papy-alain]

Ta question revient à demander (si je comprend bien) "quelle est la nature de l'interaction entre le champ de Higgs et les autres champs ?".

Bonjour Deedee, bonjour à tous.

Pas tout à fait. Je m'interroge sur la nature même du champ de Higgs.

Il est son propre vecteur de l'interaction (c'est ce qu'on appelle un champ scalaire avec "auto-interaction", ce qui explique qu'il a lui-même une masse) et ce sont les fluctuations quantiques qui permettent un effet même si l'énergie est trop faible pour permettre d'observer un Higgs libre.

Ces fluctuations quantiques dont tu parles sont les mêmes que celles de l'énergie du vide, qui crée des paires particule/antiparticule qui s'annihilent aussitôt ?

[Deedee81]

Pas tout à fait. Je m'interroge sur la nature même du champ de Higgs.

Là, on ne risque pas d'avoir de réponse (en tout cas pas tout de suite). Pas plus qu'on ne connait la nature du champ électronique ou du champ électromagnétique.

Ces fluctuations quantiques dont tu parles sont les mêmes que celles de l'énergie du vide, qui crée des paires particule/antiparticule qui s'annihilent aussitôt ?

Oui. J'avais déjà donné ce lien : http://fr.wikipedia.org/wiki/Particule_virtuelle

Il y a un lien intime (et même incestueux) entre "formulation de la mécanique quantique" - "principe d'indétermination" - "fluctuations quantiques".

En l'absence de couplage entre les champs, ça n'a pas d'importance. On peut toujours poser l'énergie du vide égale à zéro et les fluctuations n'ont aucune existence effective.

Mais avec le couplage entre champs, c'est autre chose. Là, ces fluctuations se manifestent toujours. A tel point qu'une simple particule se baladant toute seule subit des interactions. De ce type : http://feynman.phy.ulaval.ca/marleau...rs/Image01.png
(considère uniquement la ligne ondulée centrale : c'est un photon qui se propage et, boum, une fluctuation avec création d'une paire).

C'est vrai dès qu'on a le moindre couplage : couplage au champ électromagnétique (l'exemple donné), couplage au champ gravitationnel (rayonnement de Hawking), couplage au Higgs et "auto-couplage".

[papy-alain]

Ce qui me chiffonne, vois tu, c'est que les fluctuations d'un champ sont toujours quantifiés par une particule. L'effet casimir, dans le cas du champ électromagnétique, se calcule très précisément en faisant intervenir la longueur d'onde, donc l'énergie du photon qui est bien ici la particule représentant le quantum d'énergie qui engendre cet effet. Mais pour le champ de Higgs, cette notion est toute différente, vu que le boson de Higgs y est absent. Sans cela, le champ de Higgs devient (en tout cas dans mon esprit) une notion complètement abstraite.

[Zefram Cochrane]

Je me serais pendu si j'avais raconté une telle chose dans l'article

Bonjour,
Ce sera pas nécessaire vu que j'ai mis le lien justement pour confirmer que j'avais du me tromper dans mon interprtation de ce que j'avais lu.
Pour dire que j'y connais rien en théorie quantique des champs, quand j'ai lu deux bricoles syur les particules supersymétrique, j'ai eu cette chanson dans la tête.

http://www.youtube.com/watch?v=wd2ypKfsbbA
saleté de gosses.

[Deedee81]

Ce qui me chiffonne, vois tu, c'est que les fluctuations d'un champ sont toujours quantifiés par une particule. L'effet casimir, dans le cas du champ électromagnétique, se calcule très précisément en faisant intervenir la longueur d'onde, donc l'énergie du photon qui est bien ici la particule représentant le quantum d'énergie qui engendre cet effet. Mais pour le champ de Higgs, cette notion est toute différente, vu que le boson de Higgs y est absent. Sans cela, le champ de Higgs devient (en tout cas dans mon esprit) une notion complètement abstraite.

Dans l'effet Casimir (avec le champ EM) on a aussi une cavité SANS photons. Ce n'est que le champ et ses fluctuations qui interviennent. De même que pour le Higgs. Un photon libre est par contre facile à créer (masse nulle). Et l'effet Casimir pour le Higgs devrait exister (je ne sais plus qui a déjà posé la question) mais l'effet est faible car le Higgs a une masse énorme et de plus des "surfaces conductrices" pour le Higgs (comme pour Casimir "EM") me semble assez douteux.

Il n'y a donc pas autant de différence que tu sembles croire. Les seules différences sont la masse du Higgs et la manière dont il se couple aux autres champs (et aussi le fait que le Higgs est instable).

Rappelons aussi que la notion de particule est assez douteuse en théorie quantique des champs (dans certains cas, avec des espace-temps courbe, cette notion peut même perdre tout sens).

Il y a des fluctuations (du vide à proprement parler, généralement inobservables, ou entre particules déjà existantes, comme dans le diagramme ci-dessus : à noter que c'est le cas dans Casimir c'est de celle-là qu'il s'agit : il y a interaction avec les plateaux) brève et des "fluctuations" persistantes (des photons et Higgs libres).

[papy-alain]

Faut il en conclure que les fluctuations du champ de Higgs (à basse énergie) ne génèrent que des particules virtuelles, et donc que le boson de Higgs, à proprement parler, n'est pas nécessaire pour expliquer la masse de la matière ?

[Gilgamesh]

C'est ça, mais ça a été dit et redit sur un des fils consacré à la bébête.

De fait, comme je l'expliquais sur l'autre fil, sauf situation astrophysique très particulières (impact d'un rayon cosmique de très haute énergie par exemple...) l'univers est totalement vide de bosons de Higgs. Or les particules ont une masse. Conclusion, la présence de la particule n'est pas nécessaire

[Deedee81]

Faut il en conclure que les fluctuations du champ de Higgs (à basse énergie) ne génèrent que des particules virtuelles, et donc que le boson de Higgs, à proprement parler, n'est pas nécessaire pour expliquer la masse de la matière ?

Exact.

Tout comme dans l'attraction électrostatique entre deux charges (ou entre les deux plans d'un condensateur, ou l'attraction entre deux aimants) nécessite le couplage au champ électromagnétique, ne concerne que les particules virtuelles et donc pas de photon, à proprement parler (entre deux aimants immobiles il n'y a pas un rayon lumineux ).

C'est vraiment la même chose.

Si ce n'est que créer un photon est facile (le Higgs c'est dur).

[papy-alain]

Je commence enfin à y voir plus clair. Merci beaucoup pour ta patience, Deedee, c'est vraiment sympa.

[papy-alain]

C'est ça, mais ça a été dit et redit sur un des fils consacré à la bébête.

Désolé, mais je suis parfois lent à comprendre, surtout lorsqu'il s'agit de notions quantiques, tellement étrangères à mon quotidien.

[Deedee81]

Perso j'ai tendance à être indulgent dans ce domaine car je crois bien que c'est le plus dur à vulgariser (du moins si on essaie d'aller un peu dans le détail et si on veut éviter de lâcher trop de co..ries).

Même la RG c'est plus facile (mais alors, si on combine tout : RG + MQ + théorie des champs, ça devient un vrai cauchemar à vulgariser).

[Lil00]

Bonjour,

Juste un mot pour dire merci à Deedee bien sûr pour sa patience et sa clarté, mais aussi à Papy-Alain pour réussir à formuler des questions claires et pleines de bon sens... Il m'aide aussi à comprendre plein de choses !