Champ de Higgs et expansion de l'univers

[Jean-Baptiste_Paris]

Bonjour à tous,

 

Ces derniers temps j'essaie d'approfondir mes connaissances en ce qui concerne le "boson de Higgs"... et une question me taraude.

 

Le Boson de Higgs, prédit par Higgs, Brout et Engltert en 1964, a été très vraisemblablement découvert en 2012 au CERN grâce au LHC. Une annonce suivante en 2013 a confirmé la nature de la particule ainsi découverte, laissant juste une incertitude sur le point de savoir de quel boson de Higgs il s'agit effectivement.

 

La découverte de cette particule confirme donc l'existence du "champ de Higgs", lequel est sensé être uniforme dans l'Univers et, dans le cadre du modèle standard, conférer une masse inertielle aux particules.

 

On passe donc de la logique de lier masse et matière, que chaque particule a une masse qui lui est propre intrinsèquement, au profit d'une approche dans laquelle les particules n'ont aucune masse mais que ce que nous prenons pour une masse est en fait le résultat de l'interaction différente de chaque particule avec le champ de Higgs.

 

Les particules qui n'interagissent pas avec ce champ (comme les photons), ont donc une masse nulle et peuvent se déplacer à la vitesse de la lumière. Les particules qui interagissent avec ce champ ont une masse inertielle d'autant plus grande que leur interaction est forte.

 

De ce que j'en comprends, le champ de Higgs est apparu peu de temps après le Big Bang, quand l'univers s'est suffisament refroidi car moins dense, et résulte d'une brisure de symétrie spontanée.

 

Ma question est donc la suivante : si l'on considère que les bosons de jauge ont dans le cadre du champ de Higgs une masse non nulle (alors que les symétries de jauge impliquent que les transmetteurs de force ont une masse nulle), est-ce qu'il est correct de dire que, pour assurer le principe de la conservation de l'énergie, on introduit ici un champ scalaire de Higgs qui traduit un certain "niveau d'énergie" du vide ?

 

Ce qui m'amène tout de suite à une autre question (à laquelle je n'ai pas trouvé de réponse compréhensible à mon niveau sur internet...) : si ce champ de Higgs traduit un certain niveau d'énergie, comment expliquer que cette énergie demeure constante dans le cadre de l'expansion de l'univers ?

 

Autrement dit, la "dilution" de l'énergie du vide dans le cadre de l'expansion ne devrait-elle pas s'accompagner d'une interaction moindre avec les particules, dont la masse inertielle devrait donc décroitre avec le temps (et l'expansion) ?

 

Avec une question subsidiaire (si tant est que mes questions précédentes aient un sens) : est-ce que les effets de l'évolution du champ vers son potentiel minimal (mais non nul) seraient observables ? Plus clairement : est-ce que nous serions en mesure de constater l'effet d'une diminution de la masse inertielle "dans l'absolu" des objets avec le temps, ou est-ce que, cette diminution affectant tous les objets de la même manière, nous ne serions pas en mesure de la constater puisque les différences "relatives" de masse entre les objets demeureraient identiques ?

 

J'espère que mes questions restent compréhensibles... mais comme l'a écrit Pascal, "ce qui se conçoit bien s'énonce clairement"... et inutile de dire que je ne conçois pas bien la chose ici !

 

jb

[Giovanni]

http://www.gurumed.org/2014/09/10/le-physicien-stephen-hawking-pense-que-la-particule-de-dieu-pourrait-nous-anantir/

[Jean-Baptiste_Paris]

http://www.gurumed.org/2014/09/10/le-physicien-stephen-hawking-pense-que-la-particule-de-dieu-pourrait-nous-anantir/

 

Giovanni attention tu es sur le point de franchir la ligne du trollage...

On ne va pas reprendre ici notre discussion qui a été fermée par ailleurs sur l'autre post...

 

L'article oublie (ou ne sait pas) que Hawking a également précisé qu'un tel trou noir, s'il devait se produire au LHC, vu les énergies en jeu, s'évaporerait immédiatement et n'aurait strictement aucune conséquence.

 

Voir le document du CERN sur le sujet : http://environmental-impact.web.cern.ch/environmental-impact/Objects/LHCSafety/LSAGSummaryReport2008-fr.pdf (p.2).

 

Tiens, je vais même reproduire le passage en question, comme ça, ça nous évitera d'y revenir :

 

Les propriétés bien établies de la gravité, décrites par la relativité d’Einstein, excluent que des trous noirs microscopiques puissent être produits au LHC.

Quelques théories de type spéculatif prédisent toutefois la production de telles particules au LHC. Toutes ces théories prévoient que de telles particules se désintégreraient aussitôt.

Ainsi, ces trous noirs n’auraient pas le temps d’amorcer l’accrétion de matière et resteraient sans effets macroscopiques.

 

Le boson de Higgs a peut-être anéanti le monde de Hawking (à en croire la fin de l'article), mais pas encore le monde tout court...

 

Bref, tout cela est hors-sujet et sans rapport avec ma question... et je préfererais éviter que mon sujet ne soit fermé par la modération avant d'avoir eu la chance d'avoir une réponse !

 

jb

Modifié 24 juin 2015 par Jean-Baptiste_Paris

[pascal_meheut]

Ta question est peut-être un peu pointue pour Webastro où peut-être 2 ou 3 personnes seulement peuvent te répondre.

Tu as essayé sur un forum plus spécialisé "science dure".

[Jean-Baptiste_Paris]

Non... Il faut dire que Webastro est le seul forum où je suis inscrit !

 

Allez je suis sûr qu'il y a ici quelqu'un qui puisse me dire...

 

Sinon j'essaierai de trouver ailleurs... auquel cas je partagerai la réponse avec vous pour ceux que ça intéressent.

 

jb

Modifié 24 juin 2015 par Jean-Baptiste_Paris

[Smith]

Gilgamesh passe par ici de temps en temps...peut être pourra-t-il te donner des pistes. Sinon tu peux tenter de poser ton problème sur FS où il est plus fréquemment, et où il y a aussi d'autres pointures.

[julon2000]

Ça fait une paye que je ne me frotte plus à la théorie quantique des champs (le cadre formel sur lequel tout cela est bâti), il est donc possible que ce qui suit soit approximatif ou peut-être incorrect. Mais je crois ne pas être trop à côté de la plaque en disant que :

 

Ma question est donc la suivante : si l'on considère que les bosons de jauge ont dans le cadre du champ de Higgs une masse non nulle (alors que les symétries de jauge impliquent que les transmetteurs de force ont une masse nulle),

Pas tous les bosons de jauge acquièrent une masse à travers le mécanisme de Higgs : le photon, qui est le boson de jauge de l'électromagnétisme, n'en a pas.

est-ce qu'il est correct de dire que, pour assurer le principe de la conservation de l'énergie, on introduit ici un champ scalaire de Higgs qui traduit un certain "niveau d'énergie" du vide ?

Je ne crois pas que ce soit correct, il ne me semble pas que le niveau d'énergie du vide soit lié particulièrement au champ de Higgs. Ou plutôt ça concerne tous les champs dans le sens où chaque champ est susceptible de fluctuations et d'engendrer des particules virtuelles pour un laps de temps donné. La durée de vie (ou probabilité d'émission, j'ai un doute) de ces particules virtuelles étant inversement proportionnelle à leur énergie, les particules de Higgs ne sont pas les plus fréquentes. À propos, le terme "champ scalaire" signifie juste que la particule associée a un spin nul, ça ne lui confère pas un statut particulier pour autant.

 

Et donc pour tes autres questions, étant donné qu'il n'y a pas de lien privilégié entre énergie du vide et boson de Higgs je pense qu'il n'y a pas de dilution de l'effet de ce dernier et de diminution des masses des particules dû à l'expansion de l'univers.

[AstroFilDu76]

Alors la ! C'est de la question de physique qui me plait bien, seulement je me suis arrêté en 3eme année qui ne suffit pas pour donner une reponse. Je me documenterais sur la physique des particules.

 

Merci JB de remonter la barre, trop haute pour moi et je le regrette.

 

Virgile

[Dom de Savoie]

Bonjour Jean-Baptiste,

 

Bonjour à tous,

 

Ces derniers temps j'essaie d'approfondir mes connaissances en ce qui concerne le "boson de Higgs"... et une question me taraude.

 

Le Boson de Higgs, prédit par Higgs, Brout et Engltert en 1964, a été très vraisemblablement découvert en 2012 au CERN grâce au LHC. Une annonce suivante en 2013 a confirmé la nature de la particule ainsi découverte, laissant juste une incertitude sur le point de savoir de quel boson de Higgs il s'agit effectivement.

 

La découverte de cette particule confirme donc l'existence du "champ de Higgs", lequel est sensé être uniforme dans l'Univers et, dans le cadre du modèle standard, conférer une masse inertielle aux particules.

 

On passe donc de la logique de lier masse et matière, que chaque particule a une masse qui lui est propre intrinsèquement, au profit d'une approche dans laquelle les particules n'ont aucune masse mais que ce que nous prenons pour une masse est en fait le résultat de l'interaction différente de chaque particule avec le champ de Higgs.

 

C'est ça, au détail près que le mécanisme de Higgs n'explique que la masse des particules élémentaires. La masse des particules composites (hadrons) est très majoritairement due à l'interaction des quarks avec le champ de gluons décrit pat la Chromodynamique Quantique (QCD).

 

Les particules qui n'interagissent pas avec ce champ (comme les photons), ont donc une masse nulle et peuvent se déplacer à la vitesse de la lumière. Les particules qui interagissent avec ce champ ont une masse inertielle d'autant plus grande que leur interaction est forte.

 

Ok

 

De ce que j'en comprends, le champ de Higgs est apparu peu de temps après le Big Bang, quand l'univers s'est suffisament refroidi car moins dense, et résulte d'une brisure de symétrie spontanée.

 

Ma question est donc la suivante : si l'on considère que les bosons de jauge ont dans le cadre du champ de Higgs une masse non nulle (alors que les symétries de jauge impliquent que les transmetteurs de force ont une masse nulle), est-ce qu'il est correct de dire que, pour assurer le principe de la conservation de l'énergie, on introduit ici un champ scalaire de Higgs qui traduit un certain "niveau d'énergie" du vide ?

 

L'introduction du champ scalaire de Higgs n'est pas motivée par des arguments de conservation de l'énergie. La motivation est d'introduire un mécanisme de brisure spontanée de symétrie. Quand on introduit ce mécanisme dans les équations du modèle standard de la physique des particules, on fait naturellement apparaître des termes de masse.

Ce qui m'amène tout de suite à une autre question (à laquelle je n'ai pas trouvé de réponse compréhensible à mon niveau sur internet...) : si ce champ de Higgs traduit un certain niveau d'énergie, comment expliquer que cette énergie demeure constante dans le cadre de l'expansion de l'univers ?

 

Autrement dit, la "dilution" de l'énergie du vide dans le cadre de l'expansion ne devrait-elle pas s'accompagner d'une interaction moindre avec les particules, dont la masse inertielle devrait donc décroitre avec le temps (et l'expansion) ?

 

Avec une question subsidiaire (si tant est que mes questions précédentes aient un sens) : est-ce que les effets de l'évolution du champ vers son potentiel minimal (mais non nul) seraient observables ? Plus clairement : est-ce que nous serions en mesure de constater l'effet d'une diminution de la masse inertielle "dans l'absolu" des objets avec le temps, ou est-ce que, cette diminution affectant tous les objets de la même manière, nous ne serions pas en mesure de la constater puisque les différences "relatives" de masse entre les objets demeureraient identiques ?

 

Ça c'est la question qui vaudra le prix Nobel à celui où celle qui y répondra

 

Le premier point c'est que des arguments cosmologiques (genre abondance de l'Hélium dans l'univers je crois) montre qu'avec une excellente précision, le champ de Higgs n'a pas varié au cours du temps.

 

Le deuxième point est que jusqu'à présent on n'a pas réussi à relier le champs de Higgs et l'énergie noire, il y a entre les deux des dizaines d'ordre de grandeur. Mais il y a des théoriciens qui travaillent là dessus. J'ai par exemple trouvé cet article : http://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.111.061802 qui propose un mécanisme dans lequel le mélange entre un boson de Higgs et un autre boson scalaire sans masse permet d'engendrer un champ scalaire responsable de l'énergie noire.

 

Mais tout cela est très spéculatif. En gros, il ne faut pas s'arrêter au champ de Higgs seul, mais considérer tous les mécanismes qui contribuent à l'énergie du vide.

 

Dominique

[Jean-Baptiste_Paris]

Merci Julon et Dominique pour ces explications !

 

Du coup, je me rends compte que mes questions étaient peut-être un peu prématurées, dans le sens où je ne suis pas certain d'avoir compris ce qu'implique cette brisure de symétrie et la véritable nature du "champ" en question.

 

De ce que j'en ai compris, c'est de l'interaction avec ce champ que résulte la masse inertielle des particules. Mais si interaction il y a, c'est bien avec d'autres particules ou une énergie ?

 

J'avais compris qu'il n'y avait pas d'autres particules en jeu (le boson de Higgs n'étant que la manifestation fugace d'une interaction particulière), et donc j'en avais déduis que, dans la mesure où l'on parle de "champ", c'est plutôt une énergie qui était en jeu.

 

Du coup, si le champ de Higgs ne semble pas avoir varié avec le temps (et l'expansion), qu'est ce qui pourrait justifier que son potentiel reste constant ?

 

Est-ce qu'on peut imaginer que l'expansion favorise d'autant l'énergie du vide quantique ?

 

jb

[Dom de Savoie]

Bonjour Jean-Baptiste,

 

Merci Julon et Dominique pour ces explications !

 

Du coup, je me rends compte que mes questions étaient peut-être un peu prématurées, dans le sens où je ne suis pas certain d'avoir compris ce qu'implique cette brisure de symétrie et la véritable nature du "champ" en question.

 

De ce que j'en ai compris, c'est de l'interaction avec ce champ que résulte la masse inertielle des particules. Mais si interaction il y a, c'est bien avec d'autres particules ou une énergie ?

 

J'avais compris qu'il n'y avait pas d'autres particules en jeu (le boson de Higgs n'étant que la manifestation fugace d'une interaction particulière), et donc j'en avais déduis que, dans la mesure où l'on parle de "champ", c'est plutôt une énergie qui était en jeu.

 

Du coup, si le champ de Higgs ne semble pas avoir varié avec le temps (et l'expansion), qu'est ce qui pourrait justifier que son potentiel reste constant ?

 

Est-ce qu'on peut imaginer que l'expansion favorise d'autant l'énergie du vide quantique ?

 

jb

 

Le problème ici est de se représenter ce qu'est un champ scalaire dans le cadre de la théorie quantique des champs. Malheureusement il est difficile d'échapper aux maths et toute formulation dans le langage naturel conduit forcément à des approximations ou même à des erreurs.

 

Donc, au risque de sur-simplifier, le mécanisme de Higgs résulte d'une interaction avec des particules (des bosons de Higgs justement). On peut se représenter mentalement le vide comme étant rempli d'une "mer" de bosons de Higgs avec lesquels les autres particules interagissent. Du coup, on peut dire que le mécanisme de Higgs est une propriété du vide.

 

Autant que je puisse en juger (je ne suis pas théoricien), ta remarque sur le potentiel de Higgs et l'expansion de l'univers est pertinente, mais décalée par rapport à l'avancé de ce domaine scientifique, pour l'instant, on ne sait pas comment relier le mécanisme de Higgs et la cosmologie, il y a sûrement un rapport quelque part mais on ne sait ni où, ni comment.

 

Pour finir de jeter le trouble ; avec un univers en expansion donc avec une métrique qui varie dans le temps, il n'y a pas conservation de l'énergie ! En effet la conservation de l'énergie est liée à l'invariance par translation dans le temps, qui n'est pas évidemment pas vraie pour un univers en expansion. Certains contournent le problème en disant que l'augmentation de l'énergie totale de l'univers due à l'énergie noire est compensée par la libération de l'énergie potentielle gravitationnelle, mais c'est à mon avis un artifice et le fond du problème est lié à la non-invariance par translation temporelle.

 

Voir à ce sujet, l'excellente explication sur :

ou sur :

http://www.preposterousuniverse.com/blog/2010/02/22/energy-is-not-conserved/

 

Dominique

[julon2000]

Pour finir de jeter le trouble ; avec un univers en expansion donc avec une métrique qui varie dans le temps, il n'y a pas conservation de l'énergie ! En effet la conservation de l'énergie est liée à l'invariance par translation dans le temps, qui n'est pas évidemment pas vraie pour un univers en expansion. Certains contournent le problème en disant que l'augmentation de l'énergie totale de l'univers due à l'énergie noire est compensée par la libération de l'énergie potentielle gravitationnelle, mais c'est à mon avis un artifice et le fond du problème est lié à la non-invariance par translation temporelle.

 

À noter que la relativité générale a depuis ses débuts troublé les théoriciens par rapport à la conservation de l'énergie : ars technica a consacré récemment un article très intéressant sur le sujet, qui retrace comment Einstein, Hilbert et Emmy Noether ont œuvré ensemble pour que le problème (spoiler alert!) soit finalement très élégamment résolu par Noether. Cette dernière est assez méconnue du grand public, et c'est d'autant plus injuste que le théorème qui porte son nom est l'un des plus importants en physique contemporaine : il dit dans les grandes lignes qu'à chaque quantité conservée correspond une symétrie d'un système, et inversement qu'à chaque symétrie d'un système correspond une quantité conservée.

 

Dans le cas qui embarrassait Einstein et Hilbert l'énergie est belle et bien conservée si l'on considère non pas uniquement l'énergie locale d'un système, mais plus globalement l'énergie du système plus celle du champ gravitationnel. Par contre je ne suis pas assez spécialiste du domaine pour savoir où est la subtilité dans le cas de l'expansion due à l'énergie noire.

[skymatt]

wao très intéressant ce post JB, c'est pas (encore j'espère) de mon niveaux et loin de là... Quand je compare cette discussion à une des miennes (simulation informatique), cela me rends... con

 

je vais m'intéresser pendant mes vacances sur ce sujet, c'est passionnant !

[Jean-Baptiste_Paris]

Merci Dom et Julon pour toutes ces explications et ces liens très intéressants que je vais m'empresser d'aller lire !

 

Skymatt un conseil je pense qu'il faut commencer par le commencement, à savoir les bases de la physiques quantique + un peu de cosmologie.

Si tu commences directes par le Boson de Higgs, il y a de bonnes chances* que tu ne comprennes strictement rien !

 

JB

 

*je mets "il y a de bonnes chances" pour être poli, mais la réalité c'est que c'est même sur !

[skymatt]

Merci Dom et Julon pour toutes ces explications et ces liens très intéressants que je vais m'empresser d'aller lire !

 

Skymatt un conseil je pense qu'il faut commencer par le commencement, à savoir les bases de la physiques quantique + un peu de cosmologie.

Si tu commences directes par le Boson de Higgs, il y a de bonnes chances* que tu ne comprennes strictement rien !

 

JB

 

*je mets "il y a de bonnes chances" pour être poli, mais la réalité c'est que c'est même sur !

 

d'acc merci du conseil