Mécanisme de Higgs et brisure de symétrie électrofaible

Le mécanisme de Higgs explique comment la symétrie de jauge électrofaible est spontanément brisée, conférant une masse aux bosons W et Z ainsi qu'aux fermions, tout en laissant le photon sans masse.

Definition

Le mécanisme de Higgs est le processus par lequel un champ scalaire, possédant une valeur attendue dans le vide non nulle, brise spontanément la symétrie électrofaible SU(2)_L x U(1)_Y, conférant une masse aux bosons W et Z et, par l'intermédiaire des couplages de Yukawa, aux fermions chargés, tout en laissant une particule scalaire observable connue sous le nom de boson de Higgs.

Scope

Ce sujet aborde la brisure spontanée de symétrie appliquée à une théorie de jauge, le rôle du champ scalaire de Higgs et sa valeur attendue dans le vide non nulle, ainsi que la génération résultante des masses des bosons de jauge et des fermions. Il traite de la prédiction et de la découverte en 2012 du boson de Higgs, des couplages de Yukawa qui déterminent les masses des fermions, et de la manière dont le mécanisme préserve la renormalisabilité et l'invariance de jauge de la théorie électrofaible.

Core questions

• Comment les bosons de jauge peuvent-ils acquérir une masse sans briser explicitement l'invariance de jauge ?
• Quelle est la signification physique de la valeur attendue dans le vide du champ de Higgs ?
• Comment les couplages de Yukawa traduisent-ils le champ de Higgs en masses de fermions ?
• Qu'implique la masse mesurée du boson de Higgs pour la stabilité du vide électrofaible ?

Key concepts

• Brisure spontanée de symétrie
• Champ de Higgs et valeur attendue dans le vide
• Bosons de Goldstone et polarisation longitudinale
• Génération de masse des bosons W et Z
• Couplages de Yukawa et masses des fermions
• Le boson de Higgs

Key theories

Brisure spontanée de la symétrie de jauge

Lorsqu'un champ scalaire acquiert une valeur attendue dans le vide non nulle, la symétrie de jauge est cachée plutôt qu'absente, et les bosons de Goldstone virtuels sont absorbés pour conférer aux bosons de jauge des polarisations longitudinales et une masse.

Génération des masses des fermions par Yukawa

Les masses des fermions proviennent de couplages de Yukawa invariants de jauge entre les champs de fermions et le champ de Higgs, de sorte que la même valeur attendue dans le vide qui confère leur masse aux bosons détermine également les masses des quarks et des leptons chargés.

Mechanisms

Dans le lagrangien électrofaible, un doublet scalaire complexe possède un potentiel dont le minimum est situé loin du champ nul, de sorte que le champ s'établit à une valeur attendue dans le vide non nulle. En développant autour de ce minimum, trois des quatre degrés de liberté scalaires deviennent les modes longitudinaux des bosons W et Z, leur conférant leur masse, tandis que l'excitation radiale restante est le boson de Higgs physique ; le photon reste sans masse car la symétrie électromagnétique U(1) non brisée subsiste.

Clinical relevance

La découverte du boson de Higgs par les expériences ATLAS et CMS au Grand collisionneur de hadrons en 2012 a confirmé le dernier ingrédient manquant du Modèle Standard, et les mesures continues de ses couplages permettent de vérifier si la particule observée se comporte exactement comme le prédit le Modèle Standard ou si elle suggère de nouvelles physiques.

History

Le mécanisme a été proposé indépendamment en 1964 par Englert et Brout, par Higgs, et par Guralnik, Hagen et Kibble, démontrant que les bosons de jauge pouvaient acquérir une masse par brisure spontanée de symétrie. Weinberg et Salam l'ont intégré à la théorie électrofaible plus tard dans la décennie, et le boson scalaire prédit a finalement été observé au CERN en 2012, ce qui a conduit au prix Nobel 2013 pour Englert et Higgs.

Key figures

• Peter Higgs
• Francois Englert
• Robert Brout
• Steven Weinberg

Seminal works

• higgs1964
• eng04brout1964
• atlas2012

Frequently asked questions

Le champ de Higgs confère-t-il une masse à toutes les particules ?

Il confère une masse aux bosons W et Z et aux fermions élémentaires par l'intermédiaire de leurs couplages, mais la majeure partie de la masse de la matière ordinaire provient en réalité de l'énergie de liaison des quarks et des gluons à l'intérieur des protons et des neutrons, et non directement du champ de Higgs.

Le boson de Higgs est-il identique au champ de Higgs ?

Non. Le champ de Higgs imprègne tout l'espace et est responsable de la brisure de symétrie, tandis que le boson de Higgs est l'excitation quantifiée observable de ce champ détectée au LHC.