A propos du lien entre la destinée de l’univers et le boson de Higgs

For a change, I will write in French today and adapt this older article of mine for the French Steemit community.

Je vais parler de la durée de vie de l’univers, et comment cette dernière peut être calculée dans le contexte du Modèle Standard de la physique des particules, qui est je le rappelle la théorie qui décrit le comportement des particules élémentaires.

Les informations que je vais partager aujourd’hui sont inspirées d’un article scientifique que j’ai lu récemment et qui peut être obtenu ici.

J’avoue, les calculs qui s’y trouvent peuvent sembler un peu barbares et peu intéressants pour toute personne n’étant pas du domaine.

Par conséquent, dans ce post, je ne les aborderai pas. Mais l’article en question vaut le détour.

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UN BOSON DE HIGGS BOSON AUTO-INTERAGISSANT

Avant d’entrer dans le vif du sujet, je vais rappeler quelques faits importants à propos du boson de Higgs.

L’un des paramètres cruciaux du Modèle Standard consiste en la force des interactions du boson de Higgs (la particule représentée par la peluche sur la droite) avec lui-même. On parle de l’auto-couplage du boson de Higgs.

En effet, non seulement le boson de Higgs interagit avec toutes les particules élémentaires, mais il peut aussi interagir tout seul comme un grand.

Nous avons ainsi, dans le Modèle Standard, des couplages à trois et à quatre bosons de Higgs.

Bien que la force de cette interaction peut être calculée théoriquement, il faut vérifier que les calculs sont en accord avec les mesures.

Cela consiste cependant en un défi important pour la physique des particules. Le LHC au CERN ne donnera seulement qu’une idée de l’ordre de grandeur de la force de l’auto-couplage du boson de Higgs, et ce même en prenant en compte toutes les données qui seront enregistrées pendant les 20 prochaines années.

Par conséquent, des déviations importantes au Modèle Standard sont permises et il s’agit ainsi d’un endroit privilégié où chercher des phénomènes nouveaux.

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L’EFFET TUNNEL EN MECANIQUE QUANTIQUE

Avant d’expliquer pourquoi cet auto-couplage du Higgs est important pour le destin de l’univers, je vais discuter auparavant un autre concept important, celui de l’effet tunnel prédit par la mécanique quantique.

Je vais tenter de l’expliquer de façon simple et imagée.

Imaginons un mur, et une balle de tennis que nous jetons vers ce mur. La suite des événements est très simple à imaginer. La balle va ricocher sur le mur et revenir vers nous.

Si l’on refait l’expérience une deuxième fois, pareil. Et une troisième fois… toujours pareil.

Et après un million d’essais? Et bien, toujours pareil, la balle revient inlassablement vers nous.

Dans le monde microscopique, les choses sont cependant différentes car la mécanique quantique est reine. Si nous prenons une balle de tennis quantique, la probabilité qu’elle ne rebondisse pas sur le mur et passe à travers est non nulle! C’est ce que l’on appelle l’effet tunnel.

Cela peut sembler contre-intuitif, mais cela est aujourd’hui bien compris. Il existe même des applications importantes, comme le microscope à effet tunnel.

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EFFET TUNNEL ET MINIMA D’UN POTENTIEL

Revenons à présent doucement vers le sujet et parlons du potentiel de Higgs. Le potentiel de Higgs est, en gros, une équation contenant tout de la vie de notre boson de Higgs : comment il se propage, quelle est sa masse et comment il interagit avec lui-même (son auto-couplage quoi).

Dans la physique (non quantique) de tous les jours, nous avons aussi des potentiels, comme par exemple le potentiel gravitationnel expliquant les interactions gravitationnelles entre les objets. Dans tous les cas, les prédictions théoriques sont déduites d’un calcul du minimum du potentiel.

Dans le Modèle Standard, en physique des particules, et bien c’est tout pareil. Nous vivons dans l’un des minima du potentiels de Higgs. Point final. Et c’est la valeur de ce minimum qui dicte tout le reste.

La partie non amusante est qu’un potentiel peut présenter plusieurs minima. Et même si le minimum dans lequel nous vivons est bien déterminé, il est possible, par effet tunnel, de passer d’un minimum à l’autre. Et si cela arrive, l’univers tel que nous le connaissons va s’effondrer cataclystiquement!

Histoire de nous rassurer, on peut tenter de calculer la durée de vie de l’univers afin de se préparer à cet événement catastrophique. En d’autre terme, cela revient à déterminer le temps au bout duquel le tunneling d’un minimum à un autre aura lieu.

Le calcul est cependant extrêmement compliqué. Il met en jeu non seulement de la mécanique quantique, mais aussi de la relativité restreinte et de la théorie des champs. Et personne n’avait réussi à le faire jusqu’il y a peu.

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RELATION ENTRE LA DUREE DE VIE DE L’UNIVERS ET LE BOSON DE HIGGS

Pour les détails techniques sur ce calcul, il suffit de lire cet article de 70 pages. Je vais me borner à décrire les résultats.

Les auteurs ont démontré que dans le cadre du Modèle Standard, la durée de vie de l’univers est entre 10⁸⁸ et 10²⁴¹ années. L’énorme incertitude sur les résultats vient de certains paramètres du Modèle Standard qui ne sont pas mesurés assez précisément.

De façon très amusante, la force de l’auto-couplage du boson de Higgs a un impact extrêmement important sur les résultats. Et il s’agit du seul paramètre du Modèle Standard qui n’a pas encore été mesuré!

Regardons par exemple ce qui se passe si l’on change ce paramètre de 40%. Cela correspond à changer sa valeur de -0.1 à -0.138. Pas grand chose, n’est-ce pas?

Et bien en fait, cela impliquerait que la durée de vie de l’univers serait de 0.00000000000000000001 seconde! Bref, on ne serait pas là pour en parler!

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RESUME ET REFERENCES

Dans cet article, j’ai discuté de la durée de vie de l’univers dans le cadre du Modèle Standard de la physique des particules et ai parlé d’un article qui a calculé le temps au bout duquel notre univers est censé disparaître par effet tunnel.

Pour résumer, on peut dire que tout va bien. Sauf peut-être si le Modèle Standard n’est pas la fn de l’histoire (comme on le croit). Dans ce cas-là, tout va peut-être bien, ou pas...

Un exemple amusant est que si l’on change la force de l’auto-couplage du boson de Higgs, on peut réduire le temps de vie de l’univers à une poignée de fractions de seconde. Dans ce contexte, il est donc crucial de mesurer précisément la force d’auto-couplage du Higgs afin que l’on puisse calculer ce à quoi il faut nous attendre…

Pour plus d’infos sur le calcul dont je parle, voir ici. Pour l’effet tunnel en mécanique quantique, Wikipedia est notre ami.

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