Pourquoi l'interaction de Higgs n'est pas une interaction fondamentale ?

[QuantumVacuua]

Bonjour,

Je me suis renseigné sur le champ de Higgs et le boson de Higgs, de ce que je sais la principale différence c'est que les bosons des 3 autres "forces fondamentales" sont des bosons de spin 1, alors que le boson de Higgs est de spin 0
Sauf que le graviton serait de spin 2 et quand même considéré comme une interaction fondamentale donc wtf pourquoi le boson de Higgs en est pas une d'interaction fondamentale

Alors je me suis déjà documenté sur la question et ce que j'ai trouvé de plus probant c'était ça https://physics.stackexchange.com/qu...damental-force
Si j'ai bien compris c'est pas considéré comme une interaction fondamentale juste parce que arbitrairement on dit que c'est que les bosons vecteurs (à partir de spin 1) qui le sont. Mais cette réponse me satisfait pas, dans le sens où les 4 interactions fondamentales sont sensées expliquer tout les phénomènes dans l'Univers (je sais qu'il y a le soucis de l'énergie noire etc mais bref). Si le phénomène de création de la masse inertielle c'est avec le champ de Higgs bah ça marche plus...

Je vois pas pourquoi ça serait pas une 5ème interaction fondamentale du coup. Et d'ailleurs je ne vois même pas d'où il sort si il est pas fondamental (je vois pas quoi dans les 4 interactions fonda pour expliquer ça)
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[Deedee81]

Salut,

Le fait est que les particules interagissent par l'échange d'autres particules (des bosons vectoriels) dites virtuelles (car elles sont échangées dont non présentes au début et à la fin). Ce ne sont pas nécessairement des particules fondamentales (photons EM, bosons W,Z interaction faible, gluon interaction forte, hypothétique graviton). Par exemple les nucléons s'échangent des mésons pi, rho,... (interaction nucléaire "dérivée" de l'interaction forte, essentiellement à cause du confinement empêchant l'échange de gluons à "grande distance").

A priori rien n'empêche que les particules échangées soient de spin différent de 1. D'ailleurs tu cite le cas de graviton (spin 2). Et dans la diffusion photon-photon (de section efficace mini rikiki, très difficile à mesurer bien que cela a été fait) les particules échangées sont des électrons/positrons (sous forme de paires et des diagrammes d'interaction un peu compliqué car pour des raisons d'invariance de jauge on est forcément à des interactions dites au seconde ordre de la théorie des perturbations). Même si on continue à parler d'interaction EM dans ce cas (bon mais c'est juste un nom, akuna matata).

Mais le fait est que le Higgs n'est.... pas échangé (ou très très peu). Ceci est dû à son énorme masse qui rendrait l'effet d'un tel échange (possible, il y a des diagrammes d'interaction) à trèèèèèèès courte portée (bien plus que l'interaction faible déjà si faible à cause de ça).

L'origine de la masse par "interaction" est un processus nettement plus compliqué, ce n'est pas un échange/interaction entre les particules avec des Higgs. Le fait est que lorsqu'on ajoute aux champs celui du Higgs, on a un potentiel dit en chapeau Mexicain qui rend le vide instable. Le système se met spontanément dans un état (dit de "vrai vide") d'énergie plus faible mais dégénéré, à cause d'une symétrie. Des modes dit de Goldstone en découlent qui combiné aux particules leur donne une masse. Il s'agit en fait d'apparition d'une composante longitudinale qui apparait à cause de cette liberté (due aux symétries) et qui donc se manifeste comme une composante massive. L'effet est dû au Higgs mais de manière indirecte.

C'est difficile d'expliquer clairement sans équation (et avec ça rend la méthode plus claire mais probablement pas sa signification vu la complexité du sujet). Si ça t'intéressait sur ma chaine youtube j'ai une playlist sur la masse en général et tout ça. Mais ça reste très vulgarisé et donc forcément limité (et dans ma playlist non vulgarisée sur la physique des particules je n'ai pas encore abordé le sujet.... et je suis déjà à 388 vidéos.... quand je disais que c'était compliqué). Plus d'infos sur ça par MP (pas d'autopromo) si ça te dit.

Plus d'infos probablement d'autres intervenants. Et tu peux chercher aussi "Higgs" dans le forum. Le sujet a souvent été discuté (surtout lors de la découverte expérimentale du Higgs !)

[QuantumVacuua]

Merci pour la réponse détaillée (ça change de la section Sciences de JVC)

Alors si je comprends bien l'interaction de Higgs a pas de raisons d'être considérée comme fondamentale sous prétexte que les particules interagissent avec, parce que les particules interagissent même avec d'autres particules comme des électrons, sans qu'on considère le champ électronique comme donnant lieu à une interaction fondamentale.

Et donc le terme "Interaction fondamentale" est finalement vidé de son sens ? Ils ne décrivent pas du tout tous les phénomènes du coup ? Par exemple l'interaction photon-photon que tu m'as cité. Il y aurait mensonge sur la marchandise et ces interactions seraient pas si fondamentales que ça finalement ?

[Deedee81]

Non, les interactions dites fondamentales ne décrivent pas tout, ça c'est clair. Il faut des lagrangiens d'interactions et un outillage complexe.
(pas entièrement satisfaisant d'ailleurs à cause de la renormalisation ou de la matrice S unitaire qui normalement ne peut pas être unitaire , ça fait souvent recette de cuisine, et la théorie axiomatique n'est pas aboutie, il y a même un million de dollars à gagner là https://www.claymath.org/millennium-...s-and-mass-gap )

Ceci dit la plupart des interactions dérivent des interactions fondamentales : comme l'interaction nucléaire (l'échange des mésons dont j'ai parlé) mais aussi les forces de van der Waals, les interactions chimiques, ... ou même les forces de marées dérivant de l'interaction gravitationnelle). De plus elles ont réellement un caractère fondamental car elles dérivent directement de symétries fondamentales des champs.

Prenons un exemple, si l'on regarde les équations décrivant les électrons/positrons (l'équation de Dirac), on voit que l'équation est invariante sous un changement global de phase de la fonction d'onde (symétrie U(1)). Cela se traduit par exemple (théorème de Noether) par l'existence d'une charge conservée. Ensuite, une symétrie globale (la même transformation en tout point de l'espace-temps) ce n'est pas très naturel puisque la théorie est relativiste.

D'où l'idée (des théories de jauge) d'utiliser des transformations locales (différentes en chaque point). Sauf que.... ça ne marche pas.... Alors peut-on modifier l'équation pour que ça marche. Oui et il n'y a qu'une seule manière de le faire : ajout d'un champ vectoriel de masse nulle (identifié au champ électromagnétique) et un terme de couplage identique au couplage dit minimal électron/champ électromagnétique. Les champs ajoutés sont appelés "champs de jauge" (d'où le nom de particules de jauge et théorie de jauge, le mot jauge vient de la "jauge" en électromagnétisme et a elle même une origine historique).

Ce procédé marche aussi pour les interactions faibles et fortes (pas pour la graviton vu que la formulation en théorie des champs est problématique, théorie non renormalisable, enfin si, ça marche partiellement avec la symétrie P(4), j'avais déjà essayé il y a bien trente ans). Symétrie SU(2) pour l'interaction faible et SU(3) pour la forte. Sauf que les champs ajoutés sont tous sans masse... alors que l'interaction faible est véhiculée par des W, Z très massif. Et impossible d'ajouter "bêtement" un terme de masse car la théorie devient non renormalisable. Et c'est là qu'intervient le mécanisme de Higgs, élégant, naturel et qui au final ne revient pas juste à un terme de masse brutal mais des termes un peu plus compliqués que ça mais très difficile à "deviner" (et là ça marche et même très bien, la théorie unifiée électrofaible est extrêmement bien validée par l'expérience). Et on découvre alors très vite que ça marche bien aussi pour les autres masses (comme celle de l'électron, bien que là il n'y a pas de difficulté technique à introduire un terme de masse dans les équations) et de manière tout aussi naturelle.

Malgré ses lacunes la théorie est, en général, d'une élégance et d'une puissance extraordinaire.

Comme j'ai cité sans expliquer :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Renormalisation
https://fr.wikipedia.org/wiki/Th%C3%...her_(physique)
pour les groupes de symétrie continue : https://fr.wikipedia.org/wiki/Groupe_de_Lie

Au fait, curieux hein les symétries : U(1), SU(2), SU(3), P(4) : 1, 2, 3, 4 !!!!!! Est-ce un hasard.... peut-être !!!! En tout cas U(1)=SU(1) mais P(4) n'est pas du tout SU(4)). C'est comme les théories unifiées (un seul groupe de symétrie d'un seul champ puis brisure de symétrie etc...), ça marche super bien pour l'interaction électrofaible mais pas pour y ajouter l'interaction forte et disons le tout net : personne ne comprend pourquoi (en fait techniquement ça marche, c'est juste que ça prédit des trucs non observés). Il y a encore du boulot

[A voir en vidéo sur Futura]

[QuantumVacuua]

Hm okay je vois. Donc les 3 interactions "fondamentales" elles dérivent toutes 3 de symétries fondamentales, mais ni l'interaction de Higgs, ni les autres interactions (photon-photon par ex) dérivent de symétries fondamentales

Aussi, je me disais que l'interaction avec le champ de Higgs n'était pas fondamentale parce que on cherche à unifier EM et faible (on a réussi) puis EM faible et forte, puis enfin EM faible forte et gravité. On cherche pas à unifier l'interaction de Higgs avec ces autres interactions comme si "ça suffisait" d'unifier les 4 forces fondamentales.

Ce que je comprends pas c'est que du coup on laisse le champ de Higgs comme ça ? Il est unifié avec rien ? Il vient pas d'une force unificatrice présente lors du Big Bang ou kekchoz comme ça ? Ou bien c'est déjà unifié et je le sais pas. Ou bien quoi. C'est un peu ce que je sous entendais en disant ça "Et d'ailleurs je ne vois même pas d'où il sort si il est pas fondamental"

[Deedee81]

On ne sait pas (encore) construire de théorie globalement unifiée. Alors faut pas être trop exigeant.
Et attention, je l'ai expliqué plus haut, "interaction avec le Higgs" est une expression assez trompeuse.
Quand je me (re)pencherai sur le Higgs dans ma série sur les particules, je regarderai tout ça d'un oeil neuf (c'est vieux dans ma mémoire) pour voir comment vieux vulgariser cet aspect difficile (et que je n'avais pas en tête à l'époque).

Sinon une théorie complètement unifiée devrait inclure le Higgs.
(je crois que c'est le cas en théorie des cordes mais à vérifier, ce n'est pas du tout ma tasse de thé, je préfère la gravité quantique à boucles)
J'ignore même s'il y apparait comme une vibration de corde, en cherchant un peu j'ai vu un article qui parlait de "topologie des cordes". C'est assez compliqué amha.
Si un spécialiste des cordes passe par ici..... (pour éviter qu'on fasse des noeuds au cerveau avec les cordes )

[QuantumVacuua]

Donc si je comprends bien (j'ai relu un peu tes réponses concernant le fait que le terme "interaction" soit fortuit) les physiciens cherchent pas particulièrement à unifier le champ de Higgs avec les autres champs électrofaibles et fort, parce que le mécanisme n'est juste "pas" une interaction. C'est un effet de symétrie dû au fait que dans le vide le champ de Higgs a une valeur non nulle.

C'est bien ça ?

[QuantumVacuua]

Je viens de me renseigner un peu plus et non seulement le nom complet du champ semble être "champ de Higgs électrofaible" mais en plus apparemment ça serait un "doublet de SU(2)" ?
Est ce que le champ de Higgs résulte de l'interaction électrofaible ou un truc comme ça ? Je crois pas mais bon...

[Deedee81]

Donc si je comprends bien (j'ai relu un peu tes réponses concernant le fait que le terme "interaction" soit fortuit) les physiciens cherchent pas particulièrement à unifier le champ de Higgs avec les autres champs électrofaibles et fort, parce que le mécanisme n'est juste "pas" une interaction. C'est un effet de symétrie dû au fait que dans le vide le champ de Higgs a une valeur non nulle.

C'est bien ça ?

On peut dire ça comme ça.

Note que "on ne cherche pas unifier" c'est aussi parce que c'est difficile. Comme je l'ai dit ça marche super bien pour l'électrofaible mais pas pour le reste et on ne sait même pas pourquoi.

[QuantumVacuua]

On peut dire ça comme ça.

Note que "on ne cherche pas unifier" c'est aussi parce que c'est difficile. Comme je l'ai dit ça marche super bien pour l'électrofaible mais pas pour le reste et on ne sait même pas pourquoi.

Oui mais je veux dire partout je vois que les physiciens veulent unifier les 4 interactions fondamentales, mais jamais j'ai entendu parler d'unifier les interactions + le mécanisme de Higgs. Même si c'était très dur, j'en aurais quand même entendu parler si c'était un truc qu'il fallait faire. Tout comme je sais que la "théorie du Tout" expliquera pas tout (par ex le déséquilibre matiere anti-matiere) mais jamais on parle du champ de Higgs dans les trucs que la théorie du Tout n'expliquera pas.

Du coup de ce que je comprends y a surtout rien à unifier dedans quoi. C'est pas une interaction c'est (comme le nom l'indique) un mécanisme.

[Deedee81]

Et comme je connais mal les unifications au-delà du modèle standard..... désolé.
Je sais juste qu'en supersymétrie on a bien un higgsino !!!! C'est à peu près tout ce que je sais (mais ça fait pas bezef)

(en gravité quantique à boucles qui est mon dada, ce n'est pas une théorie unifiée)

[QuantumVacuua]

Hm okay je vois. Tes réponses étaient quand même assez précises et bien détaillées pour un "non spécialiste". Je peux espérer des réponses de types spécialisés dans ces unifications sur ce forum ?

Pour l'instant je suis plutôt tenté de considérer le champs de Higgs comme un mécanisme complexe que je comprends pas encore (j'attaque ça dans 1 an normalement) qui n'est pas une interaction fondamentale même si ça en a l'air à première vue.

[Deedee81]

Hm okay je vois. Tes réponses étaient quand même assez précises et bien détaillées pour un "non spécialiste".

Je connais assez bien le modèle standard.... mais au-delà !!!! Aie.

Je peux espérer des réponses de types spécialisés dans ces unifications sur ce forum ?

S'ils passent par ici, oui

Pour l'instant je suis plutôt tenté de considérer le champs de Higgs comme un mécanisme complexe que je comprends pas encore (j'attaque ça dans 1 an normalement) qui n'est pas une interaction fondamentale même si ça en a l'air à première vue.

T'es à la fac ?

[QuantumVacuua]

T'es à la fac ?

Là je commence le master de physique fonda de Orsay (enfin Paris-Saclay now). Je vais tenter le master 2 de physique théorique de l'ENS l'année pro mais je sais à quel point c'est sélectif (je sors d'une vieille double licence maths physique mention bien en physique, assez bien en maths donc c'est pas très très rassurant pour l'ENS). Et donc mon plan B est le master NPAC et normalement la physique des particules doit être au rendez vous

[Deedee81]

Tu finiras plus calé que moi (j'ai fait ingénieur civil, la physique des particules c'est 99% d'auto-formation)

[QuantumVacuua]

Héhé l'avenir nous le dira
En tout cas hâte de questionner mes futurs profs sur toutes ces questions qui me taraudent