La Physique des particules pour les nuls ?

[XMike_]

Bonsoir,

Ces jours on parle beaucoup du Boson de Higgs, j'ai essayé de lire quelques articles a propos de ce ça mais il y a toujours des termes que j'arrive pas à comprendre. Alors j'ai essayé de lire une introduction à la physique des particules (que j'ai trouvé sur internet) mais elle demande une pré-connaissance que j'ai pas (sachant que je suis en 1ére année dans une grande école d'ingénieur).

Quelqu'un peut m'aider en m'envoyant une introduction pour la physique des particules qui ne demande pas des pré-connaissances ?
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[RuBisCO]

Bonjour,
Tu cherches des explications sur le boson de Higgs, si j'ai bien compris ?

[XMike_]

Bah, maintenant je cherche à apprendre les bases de la physique des particules, car je vois qu'avoir une explication sur ce boson ne suffit pas à bien comprendre de quoi il s'agit.

[RuBisCO]

Je peux déjà faire quelque chose pour te donner une idée de ce qu'est le Higgs, et un petit peu du modèle standard.

[A voir en vidéo sur Futura]

[RuBisCO]

Bon, allons-y pour un petit point sur le modèle standard !

Généralités sur le modèle standard :
Le modèle standard est une théorie de la physique des particules qui tentent de mettre un peu d'ordre dans les choses qu'on observe dans les accélérateurs. Car si vous croyez que la matière se présente uniquement sous forme d'atomes bien sage, pas du tout ! Quand on a commencé à faire des accélérateurs, on s'est mis à trouver tous les jours des nouvelles particules, en leur donnant des noms à la va-vite et en épuisant l'alphabet grec : les pions , les mésons , , les hypérons , et j'en passe beaucoup !
Le modèle standard est juste une théorie qui dit ceci : tout ce qu'on connait est composé de fermions et de bosons. Voyons de quoi il s'agit.


Les fermions :
Comme beaucoup le savent, la matière est un grand jeu de construction, illustrons ceci avec une molécule d'eau :
- la molécule d'eau est composé d'atomes : un atome d'oxygène et deux atomes d'hydrogène.

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- l'atome d'oxygène est composé d'un noyau atomique entouré d'électrons
- le noyau atomique de l'oxygène est composé de protons et de neutrons.
- les protons et les neutrons sont composés de quarks up et down.
(et après, on ne sait pas, on aurait d'après la théorie des cordes de minuscules cordes vibrantes donnant les propriétés, mais je ne vais pas m'étendre).
Les fermions sont justement ces composants de la matière : les leptons (comme les électrons) et les quarks. Voilà les douze fermions du modèle standard :

 Cliquez pour afficher

. La première génération sont les constituants de la matière ordinaire, les quarks de seconde et troisième génération ne se rencontrent que dans les accélérateurs.
Etant donné qu'il possède une charge électrique et une masse, ils sont sensibles à la force électromagnétique et à la force gravitationnelle.


Les bosons :
Les bosons sont les vecteurs d'interactions. Les bosons de jauge, les plus connus car on les connait depuis pas mal de temps, sont les médiateurs des quatre forces fondamentales qui sont :
- l'électromagnétisme, responsable par exemple de l'attraction électromagnétique entre la répulsion de deux charges identiques.
- la force nucléaire forte, qui a lieu dans le noyau pour garder les protons et les neutrons ensemble malgré la force électromagnétique.
- la force nucléaire faible, qui est capable de ransformer un neutron en protons et vice-versa, ce qui donne à notre échelle la radioactivité de certains éléments (la radioactivité précisément).
- la force gravitationnelle, responsable de l'attraction d'objets relativement à leur masses.

Les bosons de jauge sont :
- les photons qui véhiculent la force électromagnétique.
- les gluons qui véhiculent la force nucléaire forte.
- les bosons , et pour la force nucléaire faible.
- et pour la gravitation ? Pour Newton et Einstein, pas besoin, mais la théorie des cordes prédits l'existence d'un graviton, donc les physiciens des particules ont encore du boulot !

Donc comment font-il pour agir ? Ces forces s'exercent entre deux objets en échangeant des bosons de jauge correspondant. Ainsi, lors de la répulsion de deux électrons, c'est le résultat de l'échange d'un photon. Pour vous représenter le principe, imaginez-vous deux basketteurs sur une patinoire (sisi, je suis sur que vous pouvez le faire), et maintenant imaginez-les en train de se faire une passe. Le joueur qui lance le ballon, d'après le principe d'action-réaction, va alors partir en arrière et le joueur récepteur va être entraîné par le ballon qu'il reçoit : résultat, les deux joueurs s'éloignent ! Remplacer les basketteurs par des électrons et le ballon par un photon et vous avez une idée de ce qui s'est passé.

En conclusion, les bosons véhiculent les forces fondamentales et les fermions les subissent par leur intermédiaires.

Le boson de Higgs : mais que vient faire le boson de Higgs là-dedans ? Patience, patience, on y arrive !

A par leur rôle, on constate que les fermions possèdent une masse, et pas les bosons de jauge : les photons n'ont pas de masse, les gluons n'ont pas de masse, l'hypothétique graviton n'a pas masse, les bosons X et Z ... ha m****, ils ont une masse, même qu'ils sont cent fois plus lourds qu'un proton ! Pourtant, notre modèle, issu d'équations, nous dit qu'un boson de jauge a obligatoirement une masse nulle. Mais cette différence, cela signifie que notre modèle standard est incomplet, voir incorrect. Pire, toute tentative d'unification des forces, comme la théorie électro-faible unifiée, se trouve compromise, car cela veut dire qu'on peut pas utiliser nos théories de jauge ! Et nous voilà bien embêté.

C'est alors qu'arrive nos sauveurs en 1964, les physiciens Guralnik, Hagen et Kibble, Brout et Englert, mais surtout Peter Higgs, avec leur modèle qui résout le problème : ces bosons sont de masse nulle, mais quelque chose leur donne artificiellement une masse. Cette chose, c'est le mécanisme de Higgs. A l'origine, juste après le Big Bang, il faisait chaud, la force électromagnétique et la force nucléaire faible étaient une, la force électro-faible. Puis le cosmos s'est refroidi, le mécanisme de Higgs est entré en action et les bosons W et Z ont commencé à peser, donnant deux forces distinctes connues aujourd'hui.

Mais quel est ce mécanisme ? Il nous dit qu'il existe des particules, les bosons de Higgs, qui sont partout autour de nous, qui freinent les particules en interagissant avec elles, et comme accélération et masse sont liées... la particule se met à avoir une masse. Imaginons-nous un contexte plus familier, une rue relativement bondée (certainement après les soldes). Vous avez de la chance, elle est relativement peu bondée pour que vous ne soyez pas ralenti, votre accélération reste la même. Par contre, Brad Pitt derrière vous n'a pas eu cette chance : une foule d'admirateurs présent dans la rue viennent de se rassembler autour de lui, ralentissant sa promenade. Voilà, vous étiez le photon, Brad un boson de la force faible et les gens des bosons de Higgs, vous venez de voir le mécanisme en plein action.

Moralité :
Avec ce modèle, nous avons de quoi décrire les particules et leur propriétés. Nous allons pouvoir continuer nos tentatives d'unifications de forces, une théorie du Tout en quelque sorte même si c'est très exagéré ! Nous avons unifié l'électromagnétisme et la force nucléaire faible, c'est d'ailleurs cette théorie qui a fait prédire théoriquement le boson plusieurs années avant sa mise en évidence pratique.

[XMike_]

Merci ! Ça vraiment aide beaucoup.

[RuBisCO]

Mais de rien !

[doul11]

Bonsoir,

Quelqu'un peut m'aider en m'envoyant une introduction pour la physique des particules qui ne demande pas des pré-connaissances ?

Sans prérequis ? C'est juste pas possible, la physique des particules fondamentales compte parmi les théories physiques les plus avancés !


L'explication de RuBisCO est pas mal en première approche, si on regarde un peut en détails il y a des trucs qui ne vont pas :

- a basse énergie le champs de Higgs est vide, on n'est pas entouré de boson
- la théorie électrofaible n'est pas une "vraie" unification puisque on a U(1)y x SU(2), si c'était une vraie unifications on aurait une seul groupe de symétrie

[doul11]

Voilà qui illustre bien ce que je veut dire : http://forums.futura-sciences.com/as...ml#post4133495

[Fishbedfan]

http://feynman.phy.ulaval.ca/marleau...au_ppnotes.pdf ?