Aux origines de la masse

Jean Iliopoulos

Description

Pourquoi les « particules élémentaires » qui forment toute la matière ont-elles une masse ? Étrange question qui semble être en contradiction avec toute notre intuition physique.

Dans ce livre, nous montrons d'abord que la réponse à cette question est tout sauf évidente et ensuite que la clé peut se trouver dans la découverte récente d'une nouvelle particule à l'accélérateur géant LHC (Large Hadron Collider) situé au CERN, près de Genève.

Nous proposons au lecteur une promenade guidée qui l'emmènera des confins de l'Univers pendant les premières fractions de seconde après le Big Bang, aux plus petits constituants de la matière tels que nous les apercevons dans nos laboratoires. Notre guide sera un principe profond de symétrie qui, de façon surprenante, semble déterminer la structure du monde.

Sujets

• Sciences expérimentales
• Physique
• Astronomie et astrophysique
• Sciences et techniques
• Astrophysics
• Physics
• Astrophysique
• Science

Informations

• Publié par: EDP Sciences
• Date de parution: 12 février 2015
• Nombre de lectures: 0
• EAN13: 9782759817436
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 1 Mo

Extrait

AUX ORIGINES
DE LA MASSE
Particules élémentaires
et symétries fondamentales
Jean Iliopoulos
Préface de François Englert,
Prix NobelCollection «UneIntroductionà »
dirigéeparMichèleLeducetMichelLeBellac
Auxoriginesdelamasse:
particulesélémentaireset
symétriesfondamentales
JeanIliopoulos
17, avenue du Hoggar
Parc d’activités de Courtabœuf, BP 112
91944 Les Ulis Cedex A, FranceDanslamêmecollection
Lelaser
Fabien Bretenaker et Nicolas Treps, préface de C. H. Townes
Lemondequantique
Michel Le Bellac, préface d’A. Aspect
Lesplanètes
Thérèse Encrenaz, préface de J. Lequeux
Naissance,évolutionetmortdesétoiles
James Lequeux
Lafusionthermonucléairecontrôlée
Jean-Louis Bobin
Lenucléaireexpliquépardesphysiciens
Bernard Bonin, préface d’É. Klein
Mathématiquesdesmarchésfinanciers
Mathieu Le Bellac et Arnaud Viricel, préface de J.-Ph. Bouchaud
Physiqueetbiologie
Jean-François Allemand et Pierre Desbiolles
Lacryptologie
Philippe Guillot
L’aventuredugrandcollisionneurLHC
Daniel Denegri, Claude Guyot, Andreas Hoecker et Lydia Roos,
préface de C. Rubbia
Retrouveztousnosouvragesetnoscollectionssur
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91944 Les Ulis Cedex A
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français d’exploitation du droit de copie, 3, rue Hautefeuille, 75006 Paris. Tél. : [phone].
ISBN 978-2-7598-1158-8Table des matières
1 Introduction 1
2 Unebrèvehistoiredelacosmologie 7
3 Lessymétries 21
3.1 Symétriesdel’espace .......................... 22
3.1.1 Symétriedetranslation ..................... 24
3.1.2 Symétriederotation ...................... 26
3.1.3 Symétried’inversion 26
3.2 Symétriesdutemps ........................... 27
3.3 Symétriesinternes............................ 28
3.4 Symétries locales, ou symétriesdejauge ............... 30
3.4.1 Translationslocales ....................... 31
3.4.2 Symétriesdejaugeinternes .................. 33
4 Unproblèmedemasse 37
4.1 Lamasseetlaportéedesinteractions................. 37
4.2 Lesinteractionsdejauge ........................ 40
4.3 Les masses des constituants de la matière : les quarks et les leptons 41
4.3.1 Lachiralité............................ 41
4.3.2 Lachiralitéetlesinteractionsfaibles ............. 43
5 Brisurespontanéed’unesymétrie 45
5.1 LethéorèmedeCurie.......................... 45
5.2 Brisurespontanéed’unesymétrieenphysiqueclassique . .... 46
5.3 Brisurespontanéed’unesymétrieenphysiquequantique . .... 51
5.4 Le théorème de Goldstone ....................... 55
5.5 Brisure spontanée d’une symétrie en présence d’interactions
dejauge ................................. 57
i6 Lathéoriestandard 63
6.1 Introduction ............................... 63
6.2 Lesinteractionsélectromagnétiquesetfaibles ............ 64
6.3 Lesinteractionsfortes ......................... 67
6.4 La théorie standard et l’expérience .................. 74
7 Épilogue 79
8 AppendiceI:lesparticulesélémentaires 85
8.1 Introduction 85
8.2 Lesquatreinteractions ......................... 88
8.3 Quelquesnotionsdebase ....................... 91
8.4 Lasagaduneutrino........................... 96
8.5 Letableaudesparticulesélémentaires ................ 102
8.5.1 Les particules élémentaires en 1932 : tout est simple .... 102
8.5.2 Lesparticulesélémentairesaujourd’hui ........... 104
9 AppendiceII:deSophusLieàÉlieCartan 111
iiPréface
Le livre de Jean Iliopoulos débute par une interrogation. Pourquoi, alors que
de nombreux constituants élémentaires de la matière étaient déjà connus,
l’annonce par le CERN le 4 juillet 2012 de la découverte d’une nouvelle particule
a-t-elle fait l’objet dans le monde entier d’une médiatisation exceptionnelle, bien
inhabituelle dans le domaine des particules élémentaires ? C’est, nous dit
l’auteur, « qu’il ne s’agit pas seulement d’une nouvelle particule, mais, très
probablement, d’une fenêtre sur un phénomène étrange qui a marqué l’histoire du
monde. C’est le phénomène qui a permis aux particules élémentaires d’acquérir
une masse ».
C’est ce phénomène, qui dans la terminologie des physiciens se définirait
comme la « brisure spontanée de symétrie en présence de symétries internes
locales », que l’auteur va nous faire comprendre en termes simples mais corrects.
Il nous montrera comment ce phénomène débouche sur la compréhension
actuelle de la physique des particules élémentaires résumée dans le « Modèle
Standard », auquel il apporta d’ailleurs une contribution essentielle. Nous verrons
aussi dans ce livre pourquoi, après la découverte du CERN, leModèleStandard
délimite le connu de l’inconnu. Et pourquoi cet inconnu nous apparaît dans une
vision où la connaissance de « l’infiniment petit » des particules élémentaires
contient potentiellement celle de « grand » de l’univers observable.
Le récit de ce livre s’insère dans l’histoire d’une recherche d’intelligibilité
rationnelle du monde. Je vais évoquer cette histoire.
La physique, telle que nous la comprenons aujourd’hui, est une tentative
d’interprétation des phénomènes dans leur diversité comme des manifestations
particulières de lois générales expérimentalement vérifiables. Cette conception
d’un monde régi par des lois généralesvérifiables est relativement récente dans
l’histoire de l’humanité. Elle débute en Europe, à la Renaissance, et connaît
alors un développement extraordinairement rapide. Son succès est tributaire
de l’universalité qu’elle doit à la vision révolutionnaire de Galilée (1564-1642).
Il initie le principe d’inertie qui établit l’impossibilité de détecter le mouvement
rectiligne uniforme d’un système physique, qu’il soit vivant ou inanimé, par uneexpérience faite au sein de ce système. Ce principe suggère qu’un mouvement
de vitesse constante en ligne droite ne requiert aucune cause.
eEn accord avec le principe d’inertie, Newton à la fin du XVII siècle formule
la célèbre loi d’attraction universelle des masses. Newton concevait le monde
comme composé de petites entités qui interagissent entre elles par des forces qui
sont les causes des changements de vitesse. Ces petites entités « ponctuelles »
esont devenues aujourd’hui nos particules élémentaires. Au XIX siècle, Maxwell
introduit la notion de champ, qui contrairement aux petites entités de Newton,
occupent toute une région de l’espace. Il formule en ces termes nouveaux les lois
générales de l’électromagnétisme qui gouverneraient tous les phénomènes
électriques, magnétiques et lumineux. Les notions de champ et de particules sont
unifiées au cours des premières décennies du vingtième siècle en mécanique
quantique, les particules devenant des constituants « quantiques » de champs
efluctuants. Par ailleurs, au début du XX siècle, Einstein étend le principe
d’inertie galiléenne à l’électromagnétisme par la théorie de la relativité restreinte qui
modifie nos concepts de temps et d’espace ; il généralise ensuite la loi
newtonienne de l’attraction gravitationnelle des masses : c’est la relativité générale
qui ouvre à l’investigation scientifique l’expansion cosmologique de l’Univers.
Ainsi, suite en particulier aux progrès impressionnants durant la première
emoitié du XX siècle, se dessine une vision du monde où tous les phénomènes,
du niveau atomique aux confins de l’univers observable, semblent être régis
uniquement par deux lois fondamentales et deux lois connues : la relativité
générale d’Einstein et l’électrodynamique quantique qui est la transcription en
mécanique quantique de la théorie électromagnétique de Maxwell.
Les interactions gravitationnelles et électromagnétiques sont des interactions
àlongueportée, c’est-à-dire qu’elles agissent sur des objets quelle que soit la
distance qui les sépare. Mais la découverte de structures subatomiques indique
l’existence d’autres interactions fondamentales, àcourteportée celles-là, dont
l’action est négligeable à notre échelle. Au début des années soixante, leur
interprétation théorique semblait poser des problèmes insurmontables. C’est ici que
s’insère le récit de Jean Iliopoulos.
En 1960, Nambu introduisit en théorie des particules élémentaires la notion
de « brisure spontanée de symétrie ». Généralisée en 1964 aux « symétries
internes locales » par Brout et Englert, et indépendamment par Higgs, cette notion
leur permettra de construire un « mécanisme » théorique qui induit une
transmutation d’interactions à longue portée en interactions à courte portée par
l’attribution d’une masse aux particules qui les transmettent. Plus généralement ce
mécanisme de BroutEnglert-Higgs (BEH) permettra de comprendre l’origine de
la masse des particules élémentaires. Mais que signifient ces concepts et
comment se construit ce mécanisme ?
iv PréfaceJean Iliopoulos nous explique ces concepts et montre ensuite la construction,
initiée par le mécanisme BEH, duModèleStandard des particules élémentaires.
Il raconte sa vérification expérimentale et la validation du mécanisme lui-même
par la détection au CERN de la particule qui en est l’élément constitutif
déterminant. Son récit nous conduit jusqu’aux spéculations théoriques qui, aux énergies
encore inexplorées, abordent l’au-delà duModèleStandard.
Dans cette perspective, l’auteur met en avant la fusion nécessaire de «
l’infiniment grand » de la cosmologie et de « l’infiniment pe