Les enjeux du LHC (Large Hadron Collider)

Le but principal du LHC est de débusquer le boson de Higgs, mais en fait qu'est-ce que c'est ?

Les interactions fondamentales et la théorie quantique

Il existe 4 interactions fondamentales dans l'univers:

- la force de gravitation, familière à tous, elle régit la valse des planètes autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) du soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...), maintient les hommes sur terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...), etc... c'est pourtant la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) la plus faible

- la force électromagnétique (La force électromagnétique est, avec la force de gravitation, l'interaction faible, et...), responsable de la cohésion des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) et de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) dans son ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...), de l'existence de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) et des ondes électromagnétiques (onde radio, micro onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...), rayons X, UV etc...), et du champ magnétique terrestre (La Terre possède un champ magnétique produit par les déplacements de son noyau externe –...) par exemple

- l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) forte, qui est responsable de la cohésion du noyau atomique (Le noyau atomique désigne la région située au centre d'un atome constituée de protons et de...) (constitué de protons chargés positivement, et de neutrons), qui se manifeste tous les jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) dans les centrales nucléaires ou dans le soleil

- l'interaction faible, qui est responsable d'un certain type de désintégration radioactive

La théorie quantique des champs (La théorie quantique des champs (QFT, abréviation du terme anglais Quantum field theory)...) est un formalisme décrivant les différentes interactions fondamentales (sauf la gravitation), prenant en compte les lois de l'infiniment petit, celles de la mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de...), et les lois de la relativité, celui des corps voyageant à des vitesses proches de celle de la lumière. Ces théories, basées sur des groupes de symérie, ou groupe de Lie (En mathématiques, un groupe de Lie est un groupe qui est continu, c'est-à-dire que chaque...), donnent des résultats infinis, mais grâce à des méthodes mathématiques (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide...) rigoureuses, appelées renormalisation (En théorie quantique des champs (ou QFT), en mécanique statistique des champs, dans la...), ces théories peuvent donner des résultats finis, ce genre de champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) sont appelés théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) de Yang-Mills.

Mécanisme de Higgs

Pour décrire ces interactions, nous avons besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est...) de particules vecteurs de l'interaction, ayant une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) nulle (ce qui est vrai pour le photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma)...) pour l'électromagnétisme (L'électromagnétisme est une branche de la physique qui fournit un cadre très général d'étude...), et les gluons pour l'interaction forte). Seule l'interaction faible n'entre pas dans ce formalisme. L'on appelle ce formalisme: invariance de jauge ( En tant qu'instrument de mesure : Une jauge est un instrument de mesure. On trouve par...) locale. Ces invariances sont basées sur des groupes de transformations, que l'on appelle Groupe de Lie.

Or Glashow en 1961 a réussi à décrire les interactions faibles et électromagnétiques sous le même formalisme (basé sur l'introduction de 4 champs, se mélangeant pour donner le photon, les bosons W+ et W-, et une nouvelle particule le Z0, prédisant de ce fait les courants neutres qui seront observés en 1973 au CERN).

Les 3 physiciens Robert Brout, François Englert et Peter Higgs introduisirent un champ permettant de conférer une masse à des particules ayant à l'origine une masse nulle. En effet, l'introduction d'un nouveau champ scalaire (Un vrai scalaire est un nombre qui est indépendant du choix de la base choisie pour exprimer les...) peut suffir (porté par le boson (Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés...) éponyme). Lorsque ce champ acquiert une valeur moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...) non nulle à basse énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), celui-ci confère une masse non nulle aux particules sensibles à ce champ. Ce procédé fut appliqué par Salam et Weinberg en 1967.


Profil énergétique d'un champ scalaire
à haute énergie, la symétrie de rotation est conservée (bille centrée en haut)
à basse énergie, la symétrie est brisée (la bille doit choisir une position en bas
Illustration: Imperial College of London


Diagramme de Feynman montrant plusieurs évènements caractéristiques possibles lors de la production du boson de Higgs (Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l'existence a été...)
Illustration: Imperial College of London

Les prédictions de la théorie Electrofaible (GSW Glashow Salam Weinberg)

Au final, nous avons une théorie décrivant très bien la force électromagnétique et les interactions faibles, assortis de plusieurs prédictions:
- l'existence de courants neutres (découverte au CERN en 1973)
- l'existence d'un 4ème quark (Les quarks sont des fermions que la théorie du modèle standard décrit, en compagnie...) le charm (découvert en 1974 par deux équipes américaines)
- l'existence des particules W+ W- et Z0 (découvertes en 1983 et 1984 par le CERN)

Tout cela n'est possible que si le mécanisme de Higgs sur lequel repose toute la construction du modèle standard est avéré. Pour cela il y a une dernière prédiction: le boson de Higgs

Âprement recherché, ce boson permettrait de confirmer l'existence d'un champ donnant la masse à toutes les particules connues. Par ailleurs, celui-ci permettrait de confirmer nos schémas théoriques basés sur les invariances de jauge locale.
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