Le Mécanisme de Higgs

En 1964, un jeune physicien anglais nommé Peter Higgs suggera quelque chose à propos de l’Espace qui était si radical que cela a failli le ruiner.

Peter Higgs : On m’a dit que je racontais n’importe quoi, que je ne pouvais pas avoir raison. Ils n’avaient rien compris de ce que je disais.

L’énigme que Higgs et quelques autres physiciens essayaient de comprendre se résumait à ceci : Les particules fondamentales de l’Univers contiennent toutes différentes quantités de masse. Sans masse, ces particules ne se combineraient jamais pour former les atomes qui constituent tout ce que nous voyons autour de nous. Qu’est-ce qui crée la masse ? Et pourquoi différentes particules ont-elles des masses différentes ?

Faisant tout ce qu’ils pouvaient, personne n’a pu répondre à cette question. Mais un week-end, après une promenade aux alentours d’Edimbourg, Higgs eu une idée. En utilisant les mathématiques, il imagina l’Espace d’une manière différente en faisant comme si c’était une sorte d’océan. Les particules sont immergées dans cet océan et gagnent de la masse lors de leur déplacement à travers cet océan.

Pour voir comment cela fonctionne, imaginez la masse d’une particule comme un acteur célèbre, et l’océan comme une foule de paparazzi : certaines particules, comme des acteurs inconnus, passent facilement à travers; les paparazzi ne sont tout simplement pas intéressés. Mais d’autres particules, comme des superstars, doivent pousser pour se frayer difficilement un chemin. Et plus ces particules ont de difficulté à traverser, plus elles interagissent avec l’océan, et plus elle gagnent de masse.

Higgs était convaincu d’avoir fait une grande découverte. Mais lorsqu’il présenta son idée à une revue du CERN, elle fut rejetée.

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Premières mesures de l’antihydrogène

Début 2011, des physiciens de l’expérience ALPHA du CERN avaient réussi à capturer des atomes d’antihydrogène pendant 1000 secondes.

A partir du moment où vous réussissez à créer et capturer des atomes d’antihydrogène, qu’est-ce que vous faites ? Vous les mesurez. C’est ce qui vient d’être fait. Un rayonnement micro-onde a été utilisé pour changer l’état interne de l’atome (renversement de spin du positron) : en passant d’un état qui permet de conserver l’atome dans le piège électromagnétique à un état qui l’éjecte du piège.

C’est par interaction de résonance que l’antiatome peut être éjecté puis détecté. C’est grâce à cette spectroscopie micro-ondes que les chercheurs ont pu démontrer les transitions quantiques de résonance de l’antihydrogène

Ce processus dépend de la fréquence du rayonnement micro-onde et du champ magnétique à l’intérieur du piège. En changeant les 2 à la fois, les physiciens ont démontré qu’ils avaient assez de contrôle et de sensibilité pour mener à bien l’expérience. Ce n’est pas une tâche facile car l’antihydrogène ne se trouve pas dans la nature mais doit être préparé à partir d’antiprotons qui proviennent du décélérateur d’antiprotons et de positrons qui proviennent d’une source radioactive. Et il faut que l’énergie soit suffisamment faible pour que l’atome puisse rester piégé dans les champs magnétiques.

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[Podcast] Des neutrinos plus rapides que la lumière ?

Dimension 11 est un podcast dédié à tous les passionnés de science

L’annonce faite par l’équipe de l’expérience OPERA en septembre dernier a fait beaucoup de bruit car elle mettait en cause la théorie de la relativité d’Einstein qui, avec la mécanique quantique, constitue la base de la physique moderne.

D’après une vidéo de Michio Kaku

Le LHC fonctionnera cette année à une énergie de 8 TeV

A partir de la mi-mars, lorsque l’arrêt technique hivernal arrivera à son terme, le LHC fonctionnera à une énergie de collision de 8 TeV (2 faisceaux de 4 TeV chacun), a annoncé le CERN

Une énergie plus importante conduit à un taux de collision de particules plus élevé. Avec cet accroissement d’énergie, les expériences du LHC devraient récolter 3 fois plus de données qu’en 2011.

Jusqu’à maintenant, le LHC fonctionnait à la moitié de l’énergie de son fonctionnement nominal. Cette décision avait été prise après un incident qui s’est produit en 2008. Un problème sur une interconnexion entre des aimants superconducteurs refroidis à l’hélium liquide l’avait faite surchauffé, provoquant une expansion rapide de l’hélium et déplaçant environ 50 aimants. En 2010 le LHC avait été redémarré à 7 TeV pour ne pas risquer une nouvelle année complète de réparations.

Après une année 2011 sans problèmes au cours de laquelle les opérateurs ont amélioré leur compréhension des interconnexions et effectué des tests supplémentaires, ils sont maintenant prêts à passer à la vitesse supérieure mais ne passeront à une énergie de 14 TeV qu’en 2014, après une mise à jour majeure qui sera faite pendant le long arrêt du LHC (environ 20 mois) prévu fin 2012.

Pour les opérateurs, le défi principal consistant à passer à 8 TeV avec un taux de collision plus élevé sera de réduire la taille des faisceaux de particules aux points de collision situés à l’intérieur des détecteurs, ce qui demande la plus grande finesse et le plus grand soin.

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Comment peut-on savoir si une découverte est vraiment significative ?

C’est une question qui se pose avec chaque nouvelle découverte scientifique majeure : qu’est-ce qui rend un résultat suffisamment fiable pour qu’il soit pris au sérieux ? La réponse à cette question a un rapport avec sa signification statistique, mais pas seulement.

L’unité de mesure habituellement utilisée lorsque l’on parle de signification statistique est l’écart type (déviation standard), qui s’écrit avec la lettre grecque sigma en minuscule (σ). L’écart type mesure la dispersion d’une série de valeurs autour de leur moyenne.

Dans de nombreuses situations, les résultats d’une expérience suivent ce qu’on appelle une loi normale (distribution normale). Par exemple, si vous lancez une pièce 100 fois et que vous comptez combien de fois elle retombe sur Pile, le résultat moyen devrait être 50. Mais si vous faites ce test 100 fois, la plupart des résultats seront proches de 50, mais pas exactement. Vous obtiendrez presque autant de résultats avec 49 ou 51. Vous aurez quelques 45 ou 55 mais presque pas de 20 ou 80. Si vous reportez ces résultats sur un graphique, vous obtiendrez une forme bien connue appelée courbe de Gauss qui est en forme de cloche. C’est la distribution normale.

L’écart type permet de connaitre l’éloignement d’un point donné par rapport à la moyenne. Dans l’exemple du Pile ou Face, un résultat de 47 a une déviation de 3 par rapport à la moyenne de 50. L’écart type est la racine carrée de la moyenne des carrés des déviations par rapport à la moyenne. Une déviation standard, 1 sigma, tracé au-dessus ou en dessous de la valeur moyenne sur cette courbe de distribution normale, définirait une région qui inclurait 68% de tous les points de données. 2 sigmas au-dessus ou en dessous incluraient environ 95% des données, et 3 sigma en incluraient 99,7%.

Quand est-ce qu’un point de données particulier (ou un résultat de recherche) peut-il être considéré comme significatif ? La déviation standard peut nous fournir un critère : si un point de données se trouve à quelques déviations standard du modèle testé, c’est une preuve forte que le point de données n’est pas compatible avec ce modèle. Cependant, la manière d’utiliser ce critère dépend de la situation. John Tsitsiklis (professeur de génie électrique au MIT) qui donne un cours appelé « Fundamentals of Probability » explique « La statistique est un art, avec beaucoup de place pour la créativité et les erreurs ». Une partie de cet art se résume à décider quelles mesures ont du sens dans un cadre donné.

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