Le vide dans la théorie électrofaible

[Seirios]

Bonjour à tous,

J'ai lu un certain article selon lequelle la théorie électrofaible décrivait le vide comme un champ de Higgs possédant certains états, évoluant en fonction de l'énergie.

Par exemple, nous devrions observer un changement d'état du vide à une énergie de 200 GeV, entraînant une modification de la valeur moyenne du champ de Higgs au cours du temps, et donc les masses des différentes particules de l'univers.

N'étant néanmoins pas très bien informé sur le sujet, mais extrêmement intéressé, j'aimerais savoir si quelqu'un pouvait me diriger sur un document (livre, site internet...) ou bien m'exposer tout simplement un complément du sujet...

Quelqu'un pourrait-il m'aider ?

Merci d'avance
Phys2
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[mariposa]

Bonjour à tous,

J'ai lu un certain article selon lequelle la théorie électrofaible décrivait le vide comme un champ de Higgs possédant certains états, évoluant en fonction de l'énergie.

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Tu poses des questions extrèmement difficiles!

Par exemple, nous devrions observer un changement d'état du vide à une énergie de 200 GeV, entraînant une modification de la valeur moyenne du champ de Higgs au cours du temps, et donc les masses des différentes particules de l'univers.

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as-tu vu dans les livres de vulgarisation ou "professionnels" un dessin en forme de chapeau mexicain?
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N'étant néanmoins pas très bien informé sur le sujet, mais extrêmement intéressé, j'aimerais savoir si quelqu'un pouvait me diriger sur un document (livre, site internet...) ou bien m'exposer tout simplement un complément du sujet...

Quelqu'un pourrait-il m'aider ?

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Suggestion:

As-tu chercher dans la biliothèque de Rincevent, dans les dossiers de Futura ou des articles de Wikipedia. Tu prends un des articles qui te semble le plus accessible et tu pourras ainsi préciser tes questions et nombreux sont ceux qui pourront t'aider.

Cordialement.

[inviteca4b3353]

J'ai lu un certain article selon lequelle la théorie électrofaible décrivait le vide comme un champ de Higgs possédant certains états, évoluant en fonction de l'énergie.

A basse énergie, le vide de la théorie électrofaible est rempli d'un condensat du champ de Higgs. Un peu comme de la vapeur d'eau qui condenserait pour former du liquide à basse température.
Le vide en mécanique quantique n'est statique qu'en moyenne, si on regarde plus finement il est en fait le théatre de fluctuations ou l'on "voit" apparaitre et disparaitre de bref instants plus tard des particules de matière. Parmi ces particules il y a le Higgs.
Imagine dans une boite avec aucun objet macroscopique à l'intérieur, tu vas dire qu'elle est vide à première vue. Maintenant si tu "zoomes" dans la boite tu vas te rendre compte qu'il a des petites molécules de gaz qui emplissent cette boite, et parmi elles des molécules d'eau (on suppose la température de la boite de plus 100°C à pression atmosphérique). Maintenant que ce passe-t-il lorsque je refroidi la boite, la vapeur d'eau commence à condenser et se convertit (presque) entièrement en liquide lorsque je franchis le seuil de 100°C. Pourquoi 100°C ? A cause d'intéractions attractives entre les molécules qui deviennent prépondérantes à partir de cette température, les liaisons hydrogènes notamment.

Maintenant je prends le vide quantique et je définis (de manière imagée hein on est d'accord) ses fluctuations (les particules qui apparaissent et disparaissent) comme les molécules de gaz de ma boite de tout à l'heure.
Maintenant, lorsque je diminue la température, il se trouve que les "molécules" du champ de Higgs condensent pour former un "liquide" de Higgs dans le vide. Cela se produit pour des températures (ou des énergies) de l'ordre de 100 GeV . Pourquoi 100 GeV ? Aucune idée et c'est une des questions centrales en physique théorique depuis plusieurs décennies. On sait juste que c'est autour de 100 GeV d'après nos observations expérimentales.

Pourquoi ce condensat produit des particules massives ?
Parce qu'il est plus aisé de déplacer un corps macroscopique dans un gaz (fait de molécules microscopiques) que dans un liquide macroscopique. On courre plus vite que ce qu'on nage . Les particules sont sans masse lorsqu'elle sont plongés dans le vide quantique où le Higgs n'a pas condensé (T>100GeV), mais elle se comporte de manière effective comme des particules massives lorsqu'autour d'elles le Higgs a condensé pour former sa "mélasse". Elles ont en fait une inertie (représentée par une masse) beaucoup plus importante car elles doivent se déplacer dans un milieu plus dense (T<100GeV).

Comment la température varie dans l'univers ?
La température dans l'univers diminue car ce dernier est en expansion, son volume devenant de plus en plus grand et la quantité de matière restant la même, celle dernière refroidit, de la même manière que la température d'un gaz diminue lorsqu'il se détend (exemple du piston).
Donc lorsque l'univers est très chaud T>100GeV, les particules sont bien sans masses, le Higgs n'a pas condensé, mais l'expansion aidant, T devient < 100 GeV, le Higgs condense et les particules hérite d'une masse.
La passage entre ces deux états s'appelle une transition de phase. La dynamique de (la facon dont se déroule) cette transition est très importante car elle pourrait expliquer l'absence d'antimatière dans l'univers.

Le vide est donc une notion très très riche !

KB

[invite88ef51f0]

Salut,
Cette transition du champ de Higgs a-t-elle un lien avec la transition électrofaible (séparation des interactions EM et faible) ?

Pour Phys2, il faut savoir que ce n'est pas la seule transition de phase que l'Univers ait connue. Il y en a eu d'autres avant, dans les théories de grande unification, et ensuite il y a eu des transitions du contenu de l'Univers : passage d'un plasma quark-gluon à un confinement des quarks dans les hadrons (protons, neutrons, ...) (200 MeV), fusion des protons et neutrons en noyaux (nucléosynthèse primordiale) (2 MeV), recombinaison des électrons et des noyaux pour former des atomes (c'est de là que provient le fond diffus cosmologique) (10 eV), ...

[A voir en vidéo sur Futura]

[Seirios]

Merci pour ton exposé aussi clair Karibou Blanc
J'aurais tout de même une petite question supplémentaire :

Les particules sont sans masse lorsqu'elle sont plongés dans le vide quantique où le Higgs n'a pas condensé (T>100GeV), mais elle se comporte de manière effective comme des particules massives lorsqu'autour d'elles le Higgs a condensé pour former sa "mélasse". Elles ont en fait une inertie (représentée par une masse) beaucoup plus importante car elles doivent se déplacer dans un milieu plus dense (T<100GeV).

Mais comment expliquer la différence de masse "apparente" des particules ? Et puis toutes les particules ne sont pas sans masse dans le vide quantique, non ? Si les particules avaient des masses nulles, alors ne devraient-elles pas avoir des vitesses égales à celle de la lumière dans le vide quantique ?
(Oui je sais j'ai dépassé la question mais c'est un sujet tout de même intéressant )

Merci d'avance !

as-tu vu dans les livres de vulgarisation ou "professionnels" un dessin en forme de chapeau mexicain?

Non cela ne me dit rien...

[inviteca4b3353]

Citation:
Posté par mariposa
as-tu vu dans les livres de vulgarisation ou "professionnels" un dessin en forme de chapeau mexicain?
Non cela ne me dit rien...

Normal c'est assez technique....

Mais comment expliquer la différence de masse "apparente" des particules ?

Ah je n'ai pas précisé cela, et la façon dont j'ai présenté la chose conduit à penser que toutes les particules ont la meme masse et c'est faux (mais bon c'était pour faire une analogie). En fait il se trouve qu'il existe des particules qui ne "voient" jamais le Higgs et ne sente pas ces effets. Donc leurs propagations dans le vide n'est pas altérée par la présence d'un condensat et elles restent sans masse. Les seules particules dont on soit sur qu'elles ne voient pas le Higgs sont le photon et les gluons. Ensuite pour toutes les autres, les différences de masses apparaissent dans le fait qu'elles sont sensibles au Higgs mais pas toutes avec la même intensité. Certaines sont relativement "freinées" par la présence d'un condensat et d'autres moins ce qui se traduit par des masses plus ou moins grandes.

Si les particules avaient des masses nulles, alors ne devraient-elles pas avoir des vitesses égales à celle de la lumière dans le vide quantique ?

C'est exact.

Cette transition du champ de Higgs a-t-elle un lien avec la transition électrofaible (séparation des interactions EM et faible) ?

C'est la même transition. Les interactions faibles et électromagnétiques sont différentes à basse énergie parce que les W,Z sont très lourds (un peu moins de 100 GeV). Lorsque le Higgs entre dans sa phase "gazeuse" où le condensat disparait, les bosons faibles deviennent sans masse et par exemple le Z se comporte exactement comme un second photon !
Des lors que le Higgs condense, les bosons faibles deviennent très lourds, les intéractions faibles sont du coup beaucoup moins efficaces (propables) et supprimées par la masse de ces bosons par rapport aux interactions EM.

KB

[invite88ef51f0]

Ok. Je me disais bien que le chiffre de 100 GeV n'était pas anodin... L'explication avec les masses des bosons vecteurs m'a tout clarifié ! Merci

[inviteca4b3353]

Je me disais bien que le chiffre de 100 GeV n'était pas anodin...

On s'attend typiquement à une température (critique) de transition (au cours de laquelle la symétrie electrofaible se brise) autour de 100 GeV qui est l'échelle de masse des bosons faibles qui mesure en quelque sorte l'amplitude de la brisure.
Néanmoins pour certains types de transitions (du premier ordre à la Landau) il peut se produire un phénomène de surfusion (comme pour l'eau et la transition liquide-glace) qui peut énormément retardé la transition et la repousser jusqu'à des température de l'ordre de 20-30 GeV. C'est ce que semble dire la physique des particules si on souhaite comprendre la disparition de l'anto-matière au cours de cette transition.(Attention on parle de température là pas d'énergie, c'est bien que semblable très différent).

KB

[mariposa]

Pour Phys2, il faut savoir que ce n'est pas la seule transition de phase que l'Univers ait connue. Il y en a eu d'autres avant, dans les théories de grande unification, et ensuite il y a eu des transitions du contenu de l'Univers : passage d'un plasma quark-gluon à un confinement des quarks dans les hadrons (protons, neutrons, ...) (200 MeV), fusion des protons et neutrons en noyaux (nucléosynthèse primordiale) (2 MeV), recombinaison des électrons et des noyaux pour former des atomes (c'est de là que provient le fond diffus cosmologique) (10 eV), ...

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Bonjour,

Tout ce que tu dis ne correspond pas a des transitions de phase. A 100GeV tu as la transition électrofaible. à 10 puissance 15 GeV tu as la transition dite de grande unification. Le critère d'une transition de phase est l'existence d'un paramètre d'ordre (ou de plusieurs) qui décrivent à la transition une brisure spontanée de symétrie.
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en physique classique passer du plasma au gaz neutre n'est pas une transition de phase. même chose en particules élémentaires.

[inviteca4b3353]

Tout ce que tu dis ne correspond pas a des transitions de phase. A 100GeV tu as la transition électrofaible. à 10 puissance 15 GeV tu as la transition dite de grande unification. Le critère d'une transition de phase est l'existence d'un paramètre d'ordre (ou de plusieurs) qui décrivent à la transition une brisure spontanée de symétrie.

Entièrement d'accord ! Mais cependant la transition d'un plasma quark-gluons vers un confinement en hadrons se décrit par la brisure spontannée d'une symétrie, ie la symétrie chirale ! C'est donc bien une transition de phase.

[invitea29d1598]

pour rappel y'a un dossier FS sur le boson de Higgs

avec pas mal d'illustrations et d'infos historiques

[invitea29d1598]

Entièrement d'accord ! Mais cependant la transition d'un plasma quark-gluons vers un confinement en hadrons se décrit par la brisure spontannée d'une symétrie, ie la symétrie chirale ! C'est donc bien une transition de phase.

y'a toutefois des travaux récents (QCD sur réseau) qui ont montré que dans le cas cosmo ça avait été un "croisement analytique" plutôt qu'une vraie transition.

The order of the quantum chromodynamics transition predicted by the standard model of particle physics

[mariposa]

Entièrement d'accord ! Mais cependant la transition d'un plasma quark-gluons vers un confinement en hadrons se décrit par la brisure spontannée d'une symétrie, ie la symétrie chirale ! C'est donc bien une transition de phase.

Effectivement j'avais oublié celle là.
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Tant qu'a collectionner les transitions de phases on pourrait évoquer une transition de phase de supersymétrie qui si elle existe a du avoir lieu au tout début ,début du Big-Bang.
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Et puis le big-bang est peut-être une transition de phase où l'espace des paramètres d'ordre est l'espace-temps. Vis a vis de la théorie de Landau, çà tient la route!

[inviteca4b3353]

on pourrait évoquer une transition de phase de supersymétrie qui si elle existe a du avoir lieu au tout début ,début du Big-Bang.

On pourrait mais on ne sait pas quand elle a lieu pour la bonne et simple raison qu'on ne sait pas comment la supersymétrie est brisée !

y'a toutefois des travaux récents (QCD sur réseau) qui ont montré que dans le cas cosmo ça avait été un "croisement analytique" plutôt qu'une vraie transition.

Ah certes, merci pour la ref !

[mariposa]

y'a toutefois des travaux récents (QCD sur réseau) qui ont montré que dans le cas cosmo ça avait été un "croisement analytique" plutôt qu'une vraie transition.

The order of the quantum chromodynamics transition predicted by the standard model of particle physics

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J'ai parcouru rapidement l'article, voici mes réflexes.
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1- Je n'ai pas compris ce qu'est un croisement analytique.
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2- En physique condensée la première chose à faire est définir le ou les paramètres d'ordre. Je n'ai rien vu de tel.
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3- Dans leur simulations de QCD sur réseau il ne trouve pas une température bien définie de transition phase. cela ne m'étonne pas puisqu'il travaille sur des dimensions réduites de réseau (pour des raisons évidentes de puissance de calculs). Pour avoir une température de transition de phase du deuxième ordre il faut avoir un système infini. Il aura fallu montrer comment évolue l'évolution rapide de la température en fonction de la taille du réseau maillé.

[invitea29d1598]

1- Je n'ai pas compris ce qu'est un croisement analytique.

c'est une transformation dans laquelle des quantités varient rapidement mais restent analytiques alors que les longueurs de corrélation restent finies. Un abus de langage assez courant mais tout le monde est d'accord pour dire que ce n'est donc pas une transition de phase pure et dure.
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2- En physique condensée la première chose à faire est définir le ou les paramètres d'ordre. Je n'ai rien vu de tel.

ils disent qu'ils utilisent les dérivées de la fonction de partition par rapport aux masses.
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Pour avoir une température de transition de phase du deuxième ordre il faut avoir un système infini. Il aura fallu montrer comment évolue l'évolution rapide de la température en fonction de la taille du réseau maillé.

figure 3 ils montrent que l'extrapolation vers les volumes infinis est pas compatible avec une annulation.

[inviteb69fb0b4]

Le vide en mécanique quantique n'est statique qu'en moyenne, si on regarde plus finement il est en fait le théatre de fluctuations ou l'on "voit" apparaitre et disparaitre de bref instants plus tard des particules de matière. Parmi ces particules il y a le Higgs.

bonjour, et merci pour les explications.
pouvez vous m'eclairer plus sur la notion de vide où ces phenomenes se produisent? (ils se produisent aussi dans un cailloux par exemple, dans le vide qui separe les electrons des protons?).
Parmi ces particules il y a le Higgs, et quelles sont les autres particules qui apparaissent/disparaissent dans les fluctuations?
merci

[invitea29d1598]

Les messages sur les cordes et l'émergence de l'espace-temps ont été mis dans une nouvelle discussion

[inviteca4b3353]

pouvez vous m'eclairer plus sur la notion de vide où ces phenomenes se produisent? (ils se produisent aussi dans un cailloux par exemple, dans le vide qui separe les electrons des protons?).

Comme les particules (les excitations des champs quantiques) sont ponctuelles, le vide est partout ! Un point à un volume nul. Le caillou c'est du vide ! Néanmoins le vide quantique n'est pas le vidée, il est le cadre dans lequel vivent des champs quantiques, ces champs ont des excitations, elles peuvent interagir entre elles, et le résultat est qu'à notre échelle on a l'impression que le caillou est plein.

et quelles sont les autres particules qui apparaissent/disparaissent dans les fluctuations?

On ne connait pas le nombre définitif de types de particules qui apparaissent disparaissent dans le vide. On sait qu'il y a celles qui composent la matière stable, électron, photon,quarks u et d,gluons,neutrinos. Maintenant on sait qu'il y en a d'autre car on a réussit à les "extirper" du vide dans les accélérateurs de particules, elles ont pu passer de l'état de fluctuation inobservable à celui de particule réelle (potentiellemet) visible. Et on en a trouvé pas mal comme le muon,le tau (des cousins de l'électron), d'autres quarks c,s,b,t des cousins lointains du photon, le W et le Z. Maintenant il y a surement d'autres !

KB

PS : au passage le higgs est encore inobservé à ce jour et se fait plus qu'attendre tellement on pense qu'il existe.

[inviteb69fb0b4]

autre question, prenons par exemple l'appartion d'un electron e et d'un positron p, le positron p peut il disparaitre avec une autre particule que e (un electron x present dans mon cailloux par exemple)? si oui quel est le résultat? (déplacement de x en e?)

[invite88ef51f0]

Tous les électrons sont identiques, donc ce que tu dis est tout à fait possible.
Simplement, tu auras ton premier électron en trop d'un côté, et un électron en moins de l'autre côté. Pour rétablir la neutralité électrique, l'électron aura tendance à aller boucher le trou.

[invitec913303f]

Bonjour. Au risque de paraite un peut décalé, le cham de higg est une zone de l'espace ou les fermions serais plus ou moins sensible à une interaction c'est cela?

Merci bien
flo

[inviteca4b3353]

Au risque de paraite un peut décalé, le cham de higg est une zone de l'espace ou les fermions serais plus ou moins sensible à une interaction c'est cela?

Non le champ de Higgs est un champ (presque, son spin est nul) comme les autres, comme le champ électronique, le champ électromagnétique etc, il baigne dans tout l'espace à chaquae instant. Il n'est pas confiné dans une région de l'espace. Prends mon analogie avec l'eau et les molécules de gaz, elles sont partout dans la boite !
Les champs intéragissent entre eux, c'est un fait et une nécessité sinon nous ne serions pas la, maintenant les autres champs que le higgs n'interagissent pas avec la même intensité avec le champ de Higgs d'où les différences de masses lorsque ce dernier condense.

KB

[inviteb69fb0b4]

Tous les électrons sont identiques, donc ce que tu dis est tout à fait possible.
Simplement, tu auras ton premier électron en trop d'un côté, et un électron en moins de l'autre côté. Pour rétablir la neutralité électrique, l'électron aura tendance à aller boucher le trou.

tres bien, alors imaginons maintenant que mon caillou est lancé tres tres vite, de sorte que l'espace temps se modifie autour de lui. Si le temps se ralentit autour de mon caillou, on peut alors esperer que l'aparition/disparition de particules dues à la fluctuation quantique se fasse "plus lentement", et devienne observable, voire modifie des parametres comme la masse ou la forme du caillou...

[invite88ef51f0]

La masse ne change pas. La forme te paraîtra déformée à cause de la contraction des longueurs dans le sens du mouvement.

Sinon ce que tu dis est parfaitement exact : dans les accélérateurs, on observe très bien que les traces des particules à durée de vie courte sont plus longues que ce qu'on prévoirait sans la relativité restreinte. Leur temps de vie nous paraît plus long, à cause de leur grande vitesse.

[Seirios]

Est-ce que quelqu'un aurait les "charges de Higgs" (les affinités avec le champ de Higgs) pour chaque particule ?

[inviteca4b3353]

Est-ce que quelqu'un aurait les "charges de Higgs" (les affinités avec le champ de Higgs) pour chaque particule ?

ce ne sont pas des charges (au sens ou des charges sont associée aux quantités conservées par les transformations de jauges) comme la charge électrique ou la charge de couleur. On entend souvent dire que le higgs est le champ véhiculant une nouvelle intéraction (ou 5eme force) mais c'est archi-faux !
Sinon les "charges" dont tu parles s'appellent dans le jargon des couplages de yukawa. On a mesuré ces couplages en mésurant les masses des particules. Les masses sont toutes proportionnelles à la "densité" du condensat de Higgs mais la constante de proportionnalité est différente d'un type de particules à l'autre, cette constante c'est le couplage de Yukawa (c'est un nombre sans dimension).

Ce sont les valeurs numériques que tu veux ?
Y-a-t-il une question sous jacente ?

[Seirios]

Donc si j'ai bien compris, et en plus cela paraît évident (j'aurais peut-être dû y penser ), on peut remarquer la différence du couplage de Yukawa pour deux particules par la différence de leur masse.

Par exemple, on peut voir que le photon à un couplage de Yukawa nul (car une masse nulle), et que l'électron a un couplage moins important que le muon électronique, car ceux ont des masses différentes.

Si je ne me suis pas trompé, alors c'est que j'ai ma réponse

[inviteca4b3353]

Le théoricien dira : la différence de masse provient de la différence des couplages de yukawa (attention par contre ceci est vrai seulement pour les fermions, pour les bosons de jauge c'est différent, le couplage de yukawa est remplacé par le couplage de jauge). En fait la théorie ne prédit pas les valeurs des couplages de yukawa (de jauge non plus d'ailleurs),

donc

L'expérimentateur dira plutot : en mésurant les masses je peux dire ce que sont les couplages de yukawa.

Par exemple, on peut voir que le photon à un couplage de Yukawa nul (car une masse nulle),

COmme je le disais le photon n'a pas de couplage de yukawa (c'est réservé exclusivement aux fermions), le fait que le photon soit de masse nulle vient du fait que le higgs n'a pas de charge électrique, donc il ne "voit" tout simplement pas le photon.

que l'électron a un couplage moins important que le muon électronique, car ceux ont des masses différentes.

Ca par contre c'est exact.

[Seirios]

COmme je le disais le photon n'a pas de couplage de yukawa (c'est réservé exclusivement aux fermions), le fait que le photon soit de masse nulle vient du fait que le higgs n'a pas de charge électrique, donc il ne "voit" tout simplement pas le photon.

Donc la masse des bosons de jauge dépend des propriétés du boson de Higgs lui-même ?