Boson de Higgs et matière

[zaqiel]

Bonjour,
Je me pose une question: Le boson de Higgs fournit la masse à la matière. Mais si j'arrivais à supprimer le boson de Higgs, est-ce que la matière disparaitrait, ou aurait-je une matière sans masse?
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[ThM55]

Bonjour. Très difficile de répondre à des "si", un peu comme en histoire.

Il faut d'abord comprendre que quand on dit que le champ de Higgs donne une masse à la matière, cela concerne les particules fondamentales du modèle standard (certains bosons de jauge, électrons, positrons, quarks, mais pas le photon, les neutrinos ni les gluons). Ces particules auraient une masse nulle. Mais une partie de la masse, par exemple celle des nucléons (proton, électron) ou des mésons, a une origine dynamique indépendante de l'interaction avec le champ de Higgs. Je n'ai toutefois aucune idée de ce que deviendrait cette masse dynamique si les quarks étaient de masse nulle!

[XK150]

Bonjour,
Je me pose une question: Le boson de Higgs fournit la masse à la matière. Mais si j'arrivais à supprimer le boson de Higgs, est-ce que la matière disparaitrait, ou aurait-je une matière sans masse?

Bonjour ,

Je vais peut être paraître peu aimable , mais ce n'est pas le cas et puis , tant pis , ce n'est pas grave ... :

Il y a suffisamment de choses à apprendre en physique , sans devoir se poser des questions non factuelles , du genre " si ma tante en avait ". Il y a mieux à faire pour apprendre .

[pm42]

Il y a suffisamment de choses à apprendre en physique , sans devoir se poser des questions non factuelles , du genre " si ma tante en avait ". Il y a mieux à faire pour apprendre

Oui, on peut aussi ajouter que si on change même un peu des constantes ou des lois de la physique, l'Univers cesse simplement de pouvoir exister.
Donc on cause un peu dans le vide parce que la physique, ce n'est pas de la cuisine où on peut se demander "tiens, si je retire tel ingrédient et que je change celui là, est ce que c'est encore bon".

[A voir en vidéo sur Futura]

[Avatar10]

Oui, on peut aussi ajouter que si on change même un peu des constantes ou des lois de la physique, l'Univers cesse simplement de pouvoir exister.

L'univers existerait, il serait différent mais pas inexistant.

Donc on cause un peu dans le vide parce que la physique, ce n'est pas de la cuisine où on peut se demander "tiens, si je retire tel ingrédient et que je change celui là, est ce que c'est encore bon".

Pourtant il a bien fallu que des physiciens se demandent: " tiens si je modifie un peu telle constante, est-ce encore bon?" (et parler de fine-tuning).

Je rejoindrais ThM55, la matière telle que nous la connaissons n'existerait probablement pas, mais cela ne veut pas dire qu'elle disparaitrait, les particules auraient des propriétés différentes, et donc l'univers serait très différent lui aussi, faut chercher si il y a déjà eu des simulations de ce genre.

[ThM55]

J'ai souvent observé une simplification assez catastrophique dans la vulgarisation de ce sujet, qui présente le champ de Higgs comme une sorte de pâte qui "ralentit" les particules. C'est bien plus subtil que ça.

Pour les bosons de jauge W et Z, l'invariance de jauge locale seule imposerait mathématiquement qu'ils aient une masse nulle mais le mécanisme de brisure spontanée de l'invariance de jauge due à leur interaction avec le champ de Higgs, via une redistribution des degrés de liberté du champ de Higgs, leur confère une masse. C'est ce qui explique la très faible portée de l'interaction faible, comparée à l'interaction électromagnétique. En l'absence de cela, on aurait un champ de Yang-Mills de masse nulle, qui serait couplé aux leptons et aux quarks par les charges électomagnétique et faible.

Mais pour les fermions, dans le modèle standard, le mécanisme est différent; dans l'équation de Dirac, la masse couple deux spineurs de Weyl de chiralités différentes pour en faire un spineur de Dirac. Cette masse vient en fait de la brisure d'une symétrie d'un type différent qui relie ces composantes, une brisure causée par le couplage avec le Higgs (phénomène prévu par Yohichiro Nambu, un immense physicien japonais complètement ignoré du grand public). Mais c'est une hypothèse simplificatrice, que tout le monde accepte car elle est tellement séduisante, mais il faut comprendre que c'est quelque chose qui est interne au modèle standard. C'est ce que la vulgarisation n'explique jamais.

Donc cela n'a pas vraiment de sens de se demander ce qui se passerait si le Higgs n'existait pas: on aurait un modèle standard complètement différent et rien ne dit qu'il resterait cohérent. En fait personne n'en sait rien et la question est au fond absurde, puisque ce boson existe. Le modèle est construit dès le départ pour en tenir compte.

[stefjm]

Je l'aime bien ce Monsieur Nambu.
https://forums.futura-sciences.com/p...-de-nambu.html

[ThM55]

Oui, mais heureusement il a apporté des contributions bien plus importantes que cela à la physique théorique.

[La Limule]

Il me semble utile par rapport à la question initiale "le boson de Higgs fournit il ..."
d'insiter que le verbe est au présent. La masse de certaines particule (pas du photon) à une ceraine époque.
mais que c'est parce qu'un certain type d'interaction est alors devenu possible et il l'est encore aujjourd'hui.
le champ de Higgs continue d'interagir pour donner de la masse avec des constantes de couplages données.
Un lien sur cette interaction?

[stefjm]

Oui, mais heureusement il a apporté des contributions bien plus importantes que cela à la physique théorique.

Rien que pour s'occuper des rapports des valeurs des masses, c'est un grand Monsieur.

https://academic.oup.com/ptp/article/7/5-6/595/1881337

[ThM55]

Sauf que plus personne ne croit à la pertinence de ces coincidences. C'est obsolète, on a depuis découvert des quantités de mésons et de baryons qui ne rentrent pas dans ce spectre (voir les listings dans le particle data group - via google), ainsi que le lepton tau qui ne suit pas non plus ce schéma. Les pions ne sont plus considéré comme élémentaires, on a maintenant une bonne théorie qui explique le spectre de masse des mésons, et cela n'a rien à voir avec ces coincidences.

Nambu était à l'origine de plusieurs idées qui ont eu une importance capitale en physique des particules pour le modèle standard, comme la charge de couleurs pour la chromodynamique quantique, l'importance de la brisure spontanée de symétrie, le modèle dual des résonances ayant donné naissance par la suite à la théorie des cordes. C'est pour ces contributions qu'il est considéré comme un des grands de la révolution des années 1960 avec Weinberg, Gell-mann, Salam, Higgs & co, 't Hooft, etc.

[lafysikCmoi]

pm42: tiens, si je retire tel ingrédient et que je change celui là, est ce que c'est encore bon

les physiciens font ça en permanence, ils modifient les paramètres de leurs modèles
Enlever les masses, on a commencé à faire ça avec la RR, l'espace plat, en supposant qu'on pouvait supprimer la gravité, ce qui n'empêche d'ailleurs pas quelques contradictions puisqu'on dit aussi que lorsque l'on supprime la matière, on supprime aussi l'espace. Disons qu'il y a une ambigüité entre 'supprimer les masses' et 'supprimer la gravité', mais bon, les modèles...

ThM55: le champ de Higgs comme une sorte de pâte qui "ralentit" les particules

Avec cette analogie, cette pâte s'agglomère toujours plus, alors que les masses sont considérées constantes. L'analogie est-elle suffisamment fidèle pour que l'on puisse faire bouger quelques paramètres cosmologiques?

Sinon, quelque analogie fait-on pour décrire, pertinemment, le champs scalaire qui nous concerne? Parceque, pour décrire une brisure de symétrie, pour faire tomber un crayon en équilibre par exemple, j'aurais tendance à représenter un vecteur, orthogonal au crayon pour le faire tomber. Dans le cas d'une source de chaleur (la température est aussi un champs scalaire, on pourrait représenter le crayon par un cylindre d'air chaud), elle diffuse dans toutes les directions, je ne vois pas l'analogie qui permettrait d'orienter cette diffusion sans parler de différentiel

[pm42]

les physiciens font ça en permanence, ils modifient les paramètres de leurs modèles

Entre les paramètres de leur modèles et les constantes fondamentales, il y a une énorme différence : les paramètres sont conçus comme cela, pour être ajustés dans des théories afin de coller à la réalité. Les constantes elles sont mesurées expérimentalement.

Si on change certaines de constantes fondamentales un peu, on se retrouve avec un Univers très différent, le plus souvent où on n'a pas de matière telle que nous la connaissons ou pas de galaxies, planètes, etc.
Bref, quelque chose qui n'est pas "nous vivrions dedans et qu'est ce qui changerait ?" mais "on n'existerait pas".

Je préfère ne pas commenter la suite...

[ThM55]

Sinon, quelque analogie fait-on pour décrire, pertinemment, le champs scalaire qui nous concerne? Parceque, pour décrire une brisure de symétrie, pour faire tomber un crayon en équilibre par exemple, j'aurais tendance à représenter un vecteur, orthogonal au crayon pour le faire tomber. Dans le cas d'une source de chaleur (la température est aussi un champs scalaire, on pourrait représenter le crayon par un cylindre d'air chaud), elle diffuse dans toutes les directions, je ne vois pas l'analogie qui permettrait d'orienter cette diffusion sans parler de différentiel

Pas sûr de bien comprendre cette question. S'il s'agit d'expliquer la brisure de symétrie, François Englert (je dois dire le baron Englert, car il a été anobli par le roi des Belges suite à son prix Nobel) disait à la télévision belge qu'il ne voyait pas comment expliquer le mécanisme qu'il avait découvert avec des analogies et sans passer par les mathématiques. On peut le déplorer mais au moins cela a le mérite de l'honnêteté et jette une lumière crue sur certains physiciens qui publient à un rythme accéléré des bouquins de vulgarisation qui confondent le creux et le profond et distinguent mal les théories vérifiables et les spéculations sans lien connu avec la réalité.

Il y a toutefois un effet de la brisure de symétrie qu'on peut expliquer intuitivement, c'est celui des bosons de Goldstone. Je vais essayer d'expliquer rapidement. Un champ en relativité restreinte est un système dynamique, il possède une énergie cinétique et une énergie potentielle. L'énergie cinétique du champ, c'est la norme de son gradient élevée au carré. Cela contient tout ce qui varie dans le temps et dans l'espace. Comme c'est un champ relativiste, si on inclut une dérivée par rapport au temps, il faut aussi par symétrie de Lorentz inclure les dérivées par rapport aux coordonnées d'espace. Mais ce qui nous intéresse ici c'est l'énergie potentielle. La question est: comment cette énergie varie-t-elle si on change l'intensité du champ? Je prends l'exemple d'un champ scalaire statique et uniforme, son énergie cinétique est nulle mais il peut avoir atteint différentes valeur d'intensité dans le passé. Quand on quantifie le champ, il apparaît des particules qui sont les quanta de ce champ. Leur masse dépend de la manière dont l'énergie cinétique varie avec l'intensité. Si elle est indépendante de l'intensité (constante), la masse de la particule est nulle. Si elle varie quadratiquement (une parabole), et si les excitations du champ sont des petites variations autour du minimum de la parabole, la masse est proportionnelle au coefficient du terme quadratique. Pour des raisons de symétrie, la première approximation autour d'un minimum doit être un terme quadratique. Mais le cas d'un champ comme celui de Higgs est plus compliqué, son énergie potentielle suit une surface en "chapeau mexicain" (voir sur Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Sponta...tial_polar.svg ). Le champ est un nombre complexe, il est représenté par un plan réel. Le minimum n'est plus un point, c'est un cercle. C'est cela la brisure spontanée de symétrie: le potentiel est symétrique pour les rotations dans le plan, mais une fois le champ statique retombé à une valeur minimale, cet état fondamental n'est plus symétrique sous cette rotation. Maintenant, on peut avoir deux sortes d'excitations, en raisonnant en coordonnées polaires: une excitation du champ radiale (le long d'un rayon partant du centre) et une excitation angulaire (le long du cercle). Pour l'excitation radiale, l'énergie augmente quadratiquement quand on s'éloigne un peu du minimum. Ce type d'excitation correspond à une particule massive. Mais en revanche, pour une excitation angulaire, on reste au même niveau! L'énergie potentielle ne dépend plus de la manière dont le champ varie dans cette direction, il ne reste que l'énergie cinétique. En terme de particule pour le champ quantifié, cela signifie qu'il apparaît une particule de masse nulle. C'est ce qu'on appelle le "boson de Goldstone".

Donc quand on a une brisure spontanée d'une symétrie de rotation, on voit apparaître des particules de masse nulle. Au début des années 1960, des gens comme Heisenberg pensaient que cela pouvait expliquer l'apparition de particules qu'ils pensaient de masse nulle comme les neutrinos. En fait en 1964, Brout, Englert et Higgs ont montré comment ces degrés de liberté du champ (qui en l'occurrence est un peu plus compliqué qu'un simple champ scalaire, c'est un doublet d'isospin) supposés donner des particules de masse nulle disparaissaient par transformation de jauge s'il y a une interaction avec un champ de Yang-Mills, pour donner une masse à des bosons intermédiaires.

[ThM55]

Entre les paramètres de leur modèles et les constantes fondamentales, il y a une énorme différence : les paramètres sont conçus comme cela, pour être ajustés dans des théories afin de coller à la réalité. Les constantes elles sont mesurées expérimentalement.

Si on change certaines de constantes fondamentales un peu, on se retrouve avec un Univers très différent, le plus souvent où on n'a pas de matière telle que nous la connaissons ou pas de galaxies, planètes, etc.
Bref, quelque chose qui n'est pas "nous vivrions dedans et qu'est ce qui changerait ?" mais "on n'existerait pas".

Je préfère ne pas commenter la suite...

Exactement et c'est ce qui a motivé des idées comme le fameux "principe anthropique". A mon humble avis, ce "principe" n'explique rien du tout car certes on peut montrer que par exemple qu'en changeant un peu une constante tel noyau atomique ou tel type d'étoile n'existe plus, mais on ne peut en aucun cas prédire ce qu'il y aurait à la place! Pour deux raisons simples: premièrement ce serait trop compliqué à calculer , deuxièmement parce que ce serait invérifiable.

[lafysikCmoi]

ThM55: Pour l'excitation radiale, l'énergie augmente quadratiquement quand on s'éloigne un peu du minimum. Ce type d'excitation correspond à une particule massive
pour une excitation angulaire, on reste au même niveau

Je tente donc une analogie:
La variation radiale semble pouvoir être représentée par un vecteur, orthogonal à l'axe du chapeau mexicain. Peut-on dire que le spin est porté selon cet axe, et que l'ajout de ce vecteur fait tourner la particule autour de cet axe? Et cette rotation se ferait sur une géométrie complexe, orthogonale à notre géométrie (au moins la partie imaginaire), le mouvement d'une particule massive serait projeté et partagé sur ces deux dernières, expliquant une vitesse inférieure à c dans notre géométrie. En plus court encore, le champs de Higgs génèrerait une révolution orthogonale à la trajectoire des particules, ce qui les ralentit
Cette analogie peut-elle ressembler à l'intuition qu'auraient eu les inventeurs avant de se lancer dans les calculs? voire les chercheurs qui bossent sur les boucles quantiques pour tenter de décrire la gravité?
Cette analogie serait en tout cas bien pratique, plus intuitive qu'un champs scalaire et plus court et digeste que ton résumé, le mécanisme est 'caché' sur des dimensions orthogonales, ce que suppose inévitablement la physique quantique

[ThM55]

Le spin? Le spin de quoi? De quelle particule? Je n'ai pas parlé d'un spin, j'ai juste expliqué l'apparition de fluctuations de masse nulle (boson de Goldstone). Pour la suite, et pourquoi on n'observe pas ces Goldstone, c'est expliqué ici: http://www.quantumfieldtheory.info/E...m_breaking.pdf . Ce que j'ai voulu expliquer c'est que la masse apparaît comme un coefficient de certaines formes fonctionnelles dans le hamiltonien des champs (ou le lagrangien) et dans le mécanisme de Higgs c'est le résultat d'un jeu mathématique dans lequel des degrés de liberté sont redistribués. Je pense que je comprends pourquoi Englert refusait d'expliquer par analogies. Mais je reconnais que c'est aussi une sorte d'incapacité de ma part. Je ne vois pas du tout le rapport avec les boucles de Wilson introduites dans la quantification de la gravité, cela n'a strictement rien à voir.

[lafysikCmoi]

Je parle de l'intuition initiale qu'ont pu avoir les chercheurs, à un moment donné il faut bien se faire une image géométrique d'une particule, trouver une représentation compacte dans laquelle on parle du spin, du vecteur vitesse, de la masse, de la charge... quelle est la représentation géométrique idéalisée qui pourrait rassembler les différents concepts étudiés par la physique? Et cette idéalisation pourrait s'être concrétisée dans les écritures de BEH et de la gravité quantique, tu semble nous dire que non, bon
Je me demandais juste quelles représentations mentales ont pu avoir les chercheurs avant de faire leurs calculs, et réciproquement ils cherchent forcément à 'projeter la PQ' dans la géométrie, même si l'on s'attend à une approximation, approximation dont on espère un affinement
Si les complexes de la PQ doivent se projeter dans notre géométrie, tu es par exemple d'accord que celle-ci doit être complexe, tout au plus les imaginaires se cachent-ils derrière -1 et le coeur d'une particule dispose d'un mécanisme avec des dimensions complexes