lundi 29 avril 2013

Recherche d'éclaircissements sur les Signaux Expérimentaux Non (encore) Validés de matière noire

En apprendre assez pour ne pas être naïf au risque d'être un peu ... iconoclaste  (1)
Six possibles traces de matière noire ...
Si la presse grand publique se fait de plus en plus souvent l'échos de découvertes scientifiques, il semblerait que les annonces à propos de la détection d'un possible signal de matière noire soient parmi les plus fréquemment rapportées. Or cette situation suscite un sentiment de lassitude particulièrement visible dans le billet du jour du professeur de physique théorique et blogueur Matt Strassler :
Apparent effects of dark matter have been “discovered” so many times in the last decade that you may by now feel a bit jaded, or at least dispassionate. Certainly I do. Some day, some year, one of these many hints may turn out to be the real thing. But of the current hints? We’ve got at least six, and they can’t all be real, because they’re not consistent with one other. It’s certain that several of them are false alarms... 
Des effets apparents de la matière noire ont été «découvert» tant de fois dans la dernière décennie qu'il est permis maintenant d'éprouver sinon une certaine lassitude, du moins un certain manque d'enthousiasme. C'est en tout cas ce que je ressens. Un jour, dans quelques années, un de ces nombreux signaux peut s'avérer être le bon. Mais que penser des indices actuels? Nous en avons au moins six et ils ne peuvent pas tous être vrai parce qu'ils ne sont pas compatibles entre eux. Il est certain que plusieurs sont de fausses alarmes ... 
Matt Strassler, A Murky Matter, Several Times Over, 29/04/13

Il poursuit avec ce rappel important :
All of the dark-matter search experiments are difficult, as they involve pushing the technological envelope. And as anyone with experience in science knows, most of the exciting-sounding results emerging from forefront experiments don’t survive the test of time. Never underestimate the challenge of science at the frontier of knowledge! 
Toutes les expériences de recherche de matière noire sont difficiles car elles impliquent  de repousser les limites technologiques. Et comme n'importe qui ayant une expérience des sciences le sait, la plupart des résultats qui paraissent passionnant lorsqu'ils émergent des expériences d'avant-garde ne survivent pas à l'épreuve du temps. Il ne faut jamais sous-estimer la taille des défis scientifiques aux frontières de la connaissance!
Ibid. 

 ... mais combien d'incohérences?
Pour tenter de le savoir on peut lire cet article étayé du même auteur, écrit avec le soucis didactique qui le caractérise, et qui se termine sur ces mots :
To sum up: we have at least six hints of dark matter, mostly inconsistent with one another. The new CDMS hint is roughly consistent with CoGeNT; but if they’re both really seeing dark matter, why didn’t XENON100 see a big signal? Well… all of these experiments are working hard to improve their methods and their measurements, so if any of these hints are really signs of dark matter, we should start seeing more impressive evidence within a year or so. 
Pour résumer: nous avons au moins six possibles indices expérimentaux de la matière noire, la plus part  incompatibles les uns avec les autres. Le nouveau signal  rapporté par CDMS est à peu près conforme à celui de Cogent, mais s'ils ont tous les deux vraiment quelque chose à voir avec la matière noire, pourquoi XENON100 ne détecte pas un signal fort? Quoiqu'il en soit ... toutes ces expériences travaillent dur pour améliorer leurs méthodes d'analyse et leurs mesures, donc si l'un de ces signaux est vraiment  un indice de la matière noire, nous devrions commencer à voir des preuves plus significatives dans un an ou deux.
Matt Strassler, A Murky Matter, Several Times Over 29/04/13

Comparons cette dernière phrase avec l'opinion d'un autre blogueur physicien qui, dans un billet sur le même sujet, fait une analyse très similaire à celle de Strassler tout en concluant de manière très différente :
So, dark matter, a fluke, or a fundon [an elementary particle produced in high-energy colliders near the end of the budgetary cycle]? Unfortunately, the past experience with direct detection experiments suggests that we will not learn the definitive answer anytime soon. 
Ainsi, la matière noire, une fluctuation scientifique ou un "subventon" [une particule élémentaire produite dans les collisionneurs de haute énergie vers la fin du cycle budgétaire]? Malheureusement l'expérience passée avec les expériences de détection directe suggère que nous n'allons pas apprendre la réponse définitive de sitôt.
Jester, More mess with dark matter detection 04/13

 OVNI et extraterrestres hier, SENV et matière noire aujourd'hui? (le niveau culturel monte ;-)
Emporté par son élan le blogueur se fend d'un petit commentaire publié sur le blog Of Particular significance de Strassler :
Don’t you think that the replacement of UFOs and extraterrestrials in popular (science) magazines by Unidentified Digital Signals and dark matter (or energy) is an evidence for the raising of the average cultural level’s reader ?  
Ne pensez-vous pas que le remplacement des OVNI et des extraterrestres dans les magazines de vulgarisation scientifique par des sujets sur les Signaux Expérimentaux Non Validés et la matière noire (ou l'énergie sombre) est une preuve de l'augmentation du niveau culturel moyen des lecteurs? 

Puisse cette remarque un peu iconoclaste ne pas être mal interprétée! C'est une tentative maladroite de copier l'esprit parfois irrévérencieux d'autres blogueurs dont les compétences scientifiques sont autrement plus solides que les nôtres (voir le paragraphe suivant). Elle est donc là avant tout pour justifier le titre de notre nouvelle rubrique.

Plus sérieusement espérons que la qualité de la médiatisation de la recherche continue de progresser - grâce entre autre au travail des blogueurs - pour éviter que des marronniers ne poussent au milieu des champs d'investigations scientifiques!

Une morale possible pour cette histoire 
En l'absence de particules clairement identifiées les signaux de matière noire restent  pour le moment une fumée sans véritable feu pour nous éclairer!





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mardi 23 avril 2013

Ces merveilleux rayons cosmiques et leur(s) drôle(s) d'astroaccélérateur(s)

Proposition de lectures croisées (3)

Haute voltige entre hypothétiques Zevatrons, Uhecrons et autres Centaures ...
Il semble que l'origine des rayons cosmiques - au moins ceux de plus haute énergie - soit incertaine : s'agit-il de particules ordinaires fantastiquement accélérées ou de particules exotiques mystérieusement produites et détectées? 


Un toujours nécessaire rasoir d'Ockham pour ne pas perdre la tête
Après s'être enivrer du parfum de la physique théorique des ultra-hautes énergies, essayons de mettre un peu d'ordre dans la jungle des faits et des spéculations avec deux articles de revue :
On the acceleration of ultra-high-energy cosmic rays (2008).

A la recherche de modèles simples et/ou parcimonieux (économes en hypothèses) 
Voici deux exemples d'articles à la volonté pédagogique affichée :

Boule de feu ou boulet de canon (qui tire à boulet rouge sur quoi)?
Les théories se confrontent et les esprits s'échauffent à la flamme de l'expérience (au risque de se brûler les ailes):


Dernier message de l'infiniment loin : il y a un nouveau déficit de neutrinos (cosmiques cette fois)!
Après le déficit des neutrinos solaires : grande énigme de l'astrophysique des années 70-90, définitivement résolue au début des années 2000, voilà que la détection d'un flux de neutrinos cosmiques cettefois plus faible que prévu jette un doute sur le modèle  physique dit de "boule de feu" pour les sursauts gamma. C'est du moins ce qu'on peut lire dans cet article de 2012:  An Absence of Neutrinos Associated with Cosmic Ray Acceleration in Gamma-Ray Bursts ...






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mercredi 17 avril 2013

Attention une symétrie brisée peut en cacher une autre!

Un quantum d'obstination (10)

Un pas de plus vers un modèle spectral noncommutatif (ou presque...) au delà du modèle standard
Le blogueur poursuit dans cette rubrique une de ses marottes :  tenter de suivre et de présenter brièvement les derniers développements sur le front de ce qu'on peut appeler le modèle standard spectral presque commutatif et ses extensions, en comparant les travaux des différents acteurs de ce programme de recherche (et en essayant de les confronter à des travaux "concurrents"). Voici d'abord quelques uns des précédents billets sur le sujet : 


Un boson de Higgs léger (et des neutrinos massifs) pour (s) dernier(s) messager(s) de l'infiniment petit (loin) 
Tentons de brosser à grand trait le paysage actuel de la physique fondamentale. Jusqu'à présent le modèle standard développé dans les années 70 et basé sur une théorie quantique relativiste des champs est  parfaitement confirmé par la récente découverte d'un boson de Higgs (et un seul). Celui-ci, mis en évidence au LHC le grand collisionneur de hadrons dont disposent les physiciens pour sonder la matière jusqu'à une distance de l'ordre de l'atto-mètre, est donc le dernier messager en date de l'infiniment petit. La masse de cette particule, aujourd'hui mesurée, est un paramètre important que le modèle standard ne peut pas prévoir dans sa version minimale; seules des extensions théoriques sont susceptibles d'attaquer ce problème. Ces théories  mettent toutes en jeu de nouvelles particules qui, du moins pour les modèles les plus aisément falsifiables comme par exemple le modèle supersymétrique minimal, pourraient être détectables aux échelles d'énergie accessibles aujourd'hui ou dans un futur proche. Or pour le moment aucun signal expérimental clair ne vient confirmer ces spéculations. A notre connaissance, la seule trace sûre d'une physique au delà du modèle standard et qui se manifeste à travers la phénoménologie des particules est l'oscillation de saveur des neutrinos (évoquées par exemple dans ce billet). 

Aller-retour entre phénoménologie des particules et épistémologie ou heuristique des champs quantiques relativistes 
Avant de conclure  sur l'intérêt des extensions - par exemple supersymétriques - du modèle standard il faut bien sûr être prudent, attendre l'analyse toujours plus fine des données expérimentales déjà acquises ou patienter jusqu'à la mise en place de nouvelles expériences en espérant découvrir de nouveaux phénomènes à des résolutions plus fines ou des échelles plus grandes d'énergie. Mais il n'est pas interdit non plus de chercher ailleurs les causes ou le sens de la situation actuelle de statu-quo (qu'on pourrait qualifier d'âge du milieu). Puisque l'imagination des physiciens théoriciens est sans limite les idées ne manquent pas pour expliquer l'absence de particules nouvelles aux énergies actuellement accessibles et pour repousser sans cesse plus loin la nouvelle frontière où il y aura un phénomène nouveau à observer.

Une telle situation peut paraître frustrante, elle pourrait aussi se révéler dangereuse. Elle soulève en effet  l'épineuse question de la testabilité de ces théories et interroge du même coup leur statut scientifique. Il est donc intéressant de se pencher aussi sur des travaux de mathématiciens qui interrogent la cohérence et sondent la richesse conceptuelle des théories formelles construites par les physiciens aussi bien pour modéliser le réel des particules élémentaires que pour comprendre la dynamique des objets astronomiquement grands. Alain Connes, à travers son programme avancé de  recherche sur la géométrie noncommutative est peut-être la figure la plus connue parmi les mathématiciens qui creusent ce sillon.

On a déjà mentionné de nombreuses fois dans ce blog l'intérêt du cadre mathématique qu'il a initié, lequel essaie de tirer la substantifique moelle de la physique quantique, en allant de la mécanique matricielle de Heisenberg à la méthode de régularisation dimensionnelle de 't Hooft (technique de renormalisation des champs de Yang-Mills-Higgs) en passant par l'opérateur de Dirac et le mécanisme de brisure de la symétrie électrofaible. Si ses travaux sont reconnus depuis longtemps dans l'arène mathématique, ils sont encore marginalement connus chez les physiciens. Or des avancées récentes obtenues par ses collaborateurs et lui même ainsi que d'autres groupes qui partagent des idées communes pourraient bien finir par offrir aux extensions du modèle spectral presque commutatif une place au soleil parmi les modèles susceptibles de passer sous les fourches caudines de l'expérience. Nous faisons référence en particulier au rôle joué par un nouveau champ scalaire étiqueté par la lettre σ dans le dernier article commun de Chamseddine et Connes et qui reçoit une attention particulière dans un travail encore plus récent de Devastato, Lizzi et Martinetti dont le  premier extrait que voici confirme ce que nous venons d'écrire :

In the scheme that we are describing here the Higgs appears on the same footing as the other (vector) boson as part of the connection one form [5, 35]. The remarkable fact is that its mass is not independent on the Yukawa couplings of the fermions, and therefore the theory has important predictive power. While it is  already an important achievement that the predicted mass results of the correct order of magnitude, lately the theory is reaching the point for which its predictions start to be of phenomenological interest ... we recall how the calculation of the Higgs is performed, and the role of the new scalar field σ. 
Dans le cadre que nous décrivons ici le boson de Higgs apparaît sur ​​le même pied que les autres  bosons (vecteurs) dans le cadre d'une connexion de type 1- forme [5, 35]. Le fait remarquable est que sa masse n'est pas indépendante des couplages de Yukawa des fermions, donc la théorie a une importante valeur prédictive. Si la prédiction du bon ordre de grandeur de masse constitue déjà un résultat important, la théorie a dernièrement atteint le point où ses prédictions commencent à avoir une valeur phénoménologique ... nous rappelons comment le calcul du Higgs est effectué et le rôle du nouveau champ scalaire σ.
A. Devastato, F. Lizzi et P. Martinetti, Grand Symmetry, Spectral Action and the Higgs Mass 01/04/13

Éclairer le mécanisme de Higgs et le modèle standard d'une lumière spectrale (?)
La plus récente des avancées du modèle spectral peut donc être datée du 01/04/2013 (une malice peut en cacher une autre : le premier avril n'est pas seulement le jour des cannulars facétieux, c'est aussi la date d'anniversaire de Connes ;-) si l'on se réfère au moment où a été déposé sur arxiv l'article que nous venons de citer. Poursuivons par un autre extrait qui résume bien le degré d'avancement de la version spectrale noncommutative du modèle standard :

Schematically there are two sides of the application of noncommutative geometry to the standard model. On one side there is the mathematical request that a topological space is a manifold. This yields a set of algebraic requirements [9] involving the algebra of functions defined on the space, represented as bounded operators on a sponsorial Hilbert space, and a (generalized) Dirac operator, plus two more operators representing charge conjugation and chirality. These requirements, being algebraic, can easily be applied to noncommutative algebras. In particular, their application to the almost commutative case singles out the algebra corresponding to the standard model among a restricted number of cases [7, 10] as the smallest algebra which satisfies the requirements.
The other side has to do with the spectral nature of the action. The spectral action principle [11] puts gauge theories, such as the standard model, on the same geometrical footing as general relativity deriving a Lagrangian from a noncommutative spacetime, making it possible unification with gravity. The principle is purely spectral, based on the regularization of the eigenvalues of the Dirac operator and of its fluctuations, and the action could be derived from its fermionic counterpart via the renormalization flow in the presence of anomalies [17, 18, 19].
In [7] (see also [10, 20]) this noncommutative model was enhanced to include massive neutrinos and the seesaw mechanism. The most remarkable result is the possibility to predict the mass of the Higgs particle from the mass of the other fermions and the value of the unification scale, but there are also cosmological predictions based on the spectral action, for example in [21, 22, 23].


Schématiquement, l'application de la géométrie non commutative au modèle standard présente deux volets. D'un côté, il y a la contrainte mathématique liée au fait qu’un espace topologique ait une structure de variété. Cela donne un ensemble de contraintes algébriques [9] qui concernent à la fois l'algèbre des fonctions définies sur l'espace - qui sont représentées comme des opérateurs bornés sur un espace de Hilbert idoine - et un opérateur de Dirac (généralisé) auquel s’ajoutent deux autres opérateurs de conjugaison de charge et de chiralité. De par leur nature même, ces contraintes peuvent facilement être transposées aux algèbres non commutatives. En particulier, leur application au cas presque commutative singularise l'algèbre du modèle standard parmi un nombre restreint de cas [7, 10] comme la plus petite algèbre qui satisfait à ces exigences.  
La nature spectrale de l'action constitue le second volet. Le principe de l'action spectrale [11] embrasse les théories de jauge comme le modèle standard et la relativité générale dans le même cadre géométrique et permet de dériver un Lagrangien à partir d'un espace-temps non commutatif ce qui rend possible l'unification avec la gravité. Le principe est purement spectral, basé sur la régularisation des valeurs propres de l'opérateur de Dirac et de ses fluctuations, et l'action pourrait découler de la partie fermionique de cet opérateur  via le flot de renormalisation en présence d'anomalies [17, 18, 19]. 
Dans [7] (voir aussi [10, 20]), ce modèle non commutatif a été raffiné pour inclure des neutrinos massifs et le mécanisme de bascule (see-saw). Le résultat le plus remarquable est la possibilité de prédire la masse du boson de Higgs à partir de la masse des autres fermions et de la valeur de l'échelle d’unification, mais il y a également des prédictions cosmologiques basées sur l'action spectrale, par exemple dans [21, 22, 23].
Ibid.

Une grande symétrie d'un nouveau genre se cache-t-elle derrière la brisure spontanée de la symétrie électrofaible?
Voyons maintenant en quoi cet article pourrait marquer une avancée dans la modélisation spectrale et noncommutative d'un espace-temps "augmenté" où s'unirait géométriquement les quatre interactions fondamentales connues.
In the context of the spectral action and noncommutative geometry approach to the standard model, we build a model based on a larger symmetry. This symmetry satisfies all the conditions to have a noncommutative manifold, and mixes gauge and spin degrees of freedom and does not introduce extra fermions. With this grand symmetry it is natural to have the scalar field necessary to obtain the Higgs mass in the vicinity of 126 GeV. The spectral action breaks the grand symmetry to the standard model algebra. This breaking also gives the spin structure of spacetime as broken symmetry.


Dans le cadre de l'approche noncommutative du modèle standard basée sur la géométrie du même nom et le principe d'action spectrale, nous construisons un modèle fondé sur une symétrie élargie. Cette symétrie remplit toutes les conditions pour être compatible avec la construction d'un espace non commutatif et a la particularité de mêler les degrés de liberté de spin et de jauge sans introduire de fermions supplémentaires. Avec cette grande symétrie, le champ scalaire nécessaire pour garantir une masse du Higgs voisine de 126 GeV apparaît naturellement. L'action spectrale brise cette grande symétrie pour  la réduire à celle du modèle standard. Ce mécanisme explique aussi la "structure spinorielle" de l'espace-temps comme résultant d'une brisure de symétrie.
Ibid.

Dans notre traduction nous avons employé l'expression "structure spinorielle" qui a une signification bien précise en mathématiques, aussi pour essayer de réduire l'ambigüité, découvrons ce que les auteurs physiciens entendent par là :

A spin structure means that the vectors in this Hilbert space transform in a particular representation under the “Lorentz” group. Since we are in the Euclidean case this is SO(4). We now show that the presence of the free Dirac operator ∂ causes a symmetry breaking phenomenon which reduces the algebra AG → AF. The presence of the Majorana coupling and the σ field also appear at this stage ... we will show first how the Majorana coupling at high scale gives the σ [scalar] field, which breaks the left-right symmetry and gives two copies of the standard model, and  then how the ∂ part ensures that there are not two copies.
Le terme de structure spinorielle se rapporte au fait que les vecteurs de l'espace de Hilbert dont il est ici question se transforment suivant une représentation particulière du groupe de "Lorentz". Puisque nous travaillons dans le cadre d'une signature euclidienne il s'agit du groupe SO(4). Nous allons montrer que la présence de l'opérateur de Dirac libre ∂ induit une brisure de symétrie qui réduit l'algèbre AG → AF. La présence du couplage de Majorana et du champ σ apparaissent également à ce stade ... nous montrerons d'abord comment le couplage de Majorana à haute énergie donne le champ [scalaire] σ, lequel est responsable de la brisure de la symétrie gauche-droite qui donne deux copies du modèle standard, puis comment la structure de l'opérateur ∂ empêche un tel doublement.
Ibid.
Pour contextualiser un peu l'émergence de cette possible grande symétrie il faut rappeler qu'à l'heure actuelle une partie (encore?) importante de la communauté des physiciens des particules espère voir les premiers signes d'une autre symétrie élargie : la supersymétrie, qui repose elle aussi de façon fondamentale sur le spin des particules élémentaires mais qui prévoit un doublement effectif de leur nombre. On peut noter également que l'une des grandes questions formelles que soulève cette supersymétrie est justement la nature du mécanisme qui explique qu'elle soit brisée! A l'inverse, la grande symétrie et son mécanisme de brisure propre apparaîssent de façon naturelle dans le cadre spectral noncommutatif, comme c'était le cas pour le champ de Higgs d'une certaine manière ...

 Où se trouve aujourd'hui la nouvelle frontière en physique des particules, comment l'atteindre et quand ?
Pourrons nous un jour observer une manifestation expérimentale indubitable du champ scalaire σ ou des couplages de Majorana évoqués précédemment? Est-ce que le caractère léger du boson de Higgs et massif des neutrinos peuvent déjà être considérés globalement comme un élément de preuve ou un indice de la validité de la théorie spectrale précédente? Le boson de Higgs réellement détecté n'est-il pas en effet issu d'un mélange du champ de Higgs et du champ scalaire σ et ce dernier n'est-il pas responsable de la composante dite de Majorana des neutrinos qui les rend massifs?

Recently, in [24] the noncommutative geometry model was enhanced to also overcome the high energies instability of a Higgs boson with mass around 126 GeV, in addition to predicting the correct mass. This is done ruling out the hypothesis of the “big desert” and considering an additional scalar field that lives at high energies and that gives mass to the Majorana neutrinos.
 Ibid.

Ali H. Chamseddine, Alain Connes Resilience of the Spectral Standard Model (août 2012)

Si les deux extraits précédents alimentent le débat, il est probablement trop tôt pour espérer trouver une réponse explicite à notre question sur la toile. 
Quoiqu'il en soit cette interrogation trouve un écho dans la lecture des premiers articles sur le mécanisme (A)BEHHGK de brisure spontanée de la symétrie électrofaible publiés il y a environ cinquante ans. Même si l'observation est probablement naïve on ne peut s'empêcher d'être frappé par le peu d'attention porté alors à ce qu'on appelle aujourd'hui la particule de Higgs dans ces articles, exceptés ceux d'Anderson et ... Higgs! 

L'accès aux échelles d'énergie toujours plus hautes (au delà de la dizaine de TeV) est techniquement de plus en plus difficile. On a déjà évoqué ailleurs la solution qui consiste à pointer (installer) les détecteurs de particules vers (dans) le ciel pour profiter des astro-accélérateurs naturels et des sources d'astroparticules qui se cachent plus ou moins dans l'Espace et sont responsables de la pluie de rayons cosmiques qui arrose la Terre en continue. La physique des astroparticules porte en elle beaucoup d'espoir mais pour le moment encore les résultats ne semblent pas conclusifs.


Un ailleurs noncommutatif : entre infiniment petit et infiniment grand, entre local et global ?
Si d'aucuns s'interrogent sur la pertinence des paramètres "énergie sombre" et "matière noire" du modèle cosmologique standard c'est peut-être pour ce qu'on veut en faire; à savoir s'attaquer à des problèmes qui mettent en jeu simultanément l'infiniment petit et l'infiniment grand en faisant appel à deux théories dont on doute - ou au mieux on ignore - si elles sont compatibles (théorie quantique des champs et relativité générale). Dans ce contexte on pourrait espérer que le caractère noncommutatif du modèle spectral en fasse un outil de choix pour ce genre de problèmes dans la mesure où son formalisme est par nature non-local donc potentiellement apte à mieux décrire les liens mystérieux qui unissent les deux infinis ainsi que le local et le global. Il reste donc à mieux voir et/ou entendre les espaces noncommutatifs ...

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La brisure de la symétrie électrofaible est-elle comprise ?

Proposition de lectures croisées (2)
On the meaning of symmetry breaking (2003)
Spontaneous Symmetry Breaking : Quantum Statistical Mechanics versus Quantum Field Theory (2010)
Nima-arkani-hamed-on-meaning-of-125-gev.html (2012)
Bang, Bang, Who's Dead? (2012)




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vendredi 12 avril 2013

Qu'est-ce que la physique du boson de Higgs doit vraiment à la physique de la matière condensée ?

En attendant le séminaire sur le sujet ...
L'écriture de ce billet a débuté dans l'attente d'un séminaire (alors à venir) de P.W. Anderson où le célèbre physicien théoricien de la matière condensée dev(r)ait défendre son point de vue sur le mécanisme dit de Anderson-Higgs ou mécanisme (A?)BEHHGK déjà évoqué dans un précédent billet) !

Un physicien des particules verse son tribu à un physicien de la matière condensée
Commençons notre enquête par ce que Peter Higgs, le désormais fameux physicien des particules nobélisable, doit à Philp W. Anderson, physicien théoricien de la matière condensée anciennement nobélisé (1977). Il suffit de lire l'article désormais célèbre (et en accès libre!) de Higgs :
In a recent note ... it was shown that the Goldstone theorem ..., that Lorentz-covariaint field theories in which spontaneous breakdown of symmetry under an internal Lie group occurs contain zero-mass particles, fails if and only if the conserved currents associated with the internal group are coupled to gauge fields. The purpose of the present note is to report that, as a consequence of this coupling, the spin-one quanta of some of the gauge fields acquire mass; the longitudinal degrees of freedom of these particles (which would be absent if their mass were zero) go over into the Goldstone bosons when the coupling tends to zero. This phenomenon is just the relativistic analog of the plasmon phenomenon to which Anderson [3] has drawn attention.
         [3] P. W. Anderson, Phys. Rev. 130, 439 (1963)
Peter Higgs Broken symmetries and the masses of gauge bosons 1964
Le phénomène dont parle Higgs dans la dernière phrase (que nous avons souligné par les caractères gras) est aujourd'hui décrit par le terme générique de "brisure spontanée d'une symétrie de jauge". 

Un physicien de la matière condensée rend hommage à un physicien des particules 
Passons maintenant à Anderson qui a beaucoup œuvré pour promouvoir l'utilisation du concept précédent tout en reconnaissant clairement ce qu'il doit au physicien Yoichiro Nambu, récemment nobélisé (2008) pour le succès de ses idées en physique subatomique. L'extrait suivant est explicite :
... he visited us at Bell Labs in '59 and his understanding of the deep meaning of what we were doing had an enormous effect on my own thinking about broken symmetry. I think    I even learned the words from him, if not the idea ... 
 I give Nambu Sensei full credit for opening all of our minds to the consequences of allowing Nature to tell us what field theory can do, rather than confining Nature by our own preconceptions. The intellectual thread runs unbroken from his work to the final triumphs of the Standard Model.
P.W Anderson More and Different 2011
Un physicien (peut) a(voir) deux amours : la physique des particules et de la matière condensée
Il est intéressant de s'attarder sur Nambu, qui contrairement aux deux physiciens précédents a vraiment une double culture théorique : celle de la matière condensée (on disait autrefois physique du solide) et celle des particules. Il expose ainsi les circonstances qui ont conduit à cet état de fait :
I will begin with a short story about my background. I studied physics at the university of Tokyo. I was attracted to particle physics because of three famous names, Nishina, Tomonaga and Yukawa, who were the founders of particle physics in Japan. But these people were at different institutions than mine. On the other hand, condensed matter physics was pretty good at Tokyo. I got into particle physics only when I came back to tokyo after the war. In hindsight, though, I must say that my early exposure to condensed matter physics has been quite beneficial to me.
Y. Nambu Spontaneous symmetry breaking in particle physics: a case of cross-fertilization 2008

Dans le texte de sa conférence Nobel (présentée par son collaborateur Giovani Jona-Lasinio) le physicien japonais expose autant sa passion pour la phénoménologie des particules et leurs interactions que pour le formalisme mathématique rigoureux qui la modélise, il décrit aussi tout ce qu'il doit à la théorie BCS de la supraconductivité :
I will now recall the chain of events which led me to the idea of SSB and its application to particle physics. one day in 1956 R. Schrieffer gave us a seminar on what would come to be called the BCS theory [5] of superconductivity. I was impressed by the boldness of their ansatz for the state vector, but at the same time I became worried about the fact that it did not appear to respect gauge invariance. Soon thereafter Bogoliubov [6] and Valatin [7] independently introduced the concept of quasiparticles as fermionic excitations in the BCS medium. The quasiparticles did not carry a definite charge as they were a superposition of electron and hole, with their proportion depending on the momentum. How can one then trust the BCS theory for discussing the electromagnetic properties like the Meissner effect? It actually took two years for me to resolve the problem to my satisfaction. There were a number of people who also addressed the same problem, but I wanted to understand it in my own way. Essentially it is the presence of a massless collective mode, now known by the generic name of Nambu-Goldstone boson, that saves charge conservation or gauge invariance.
Y. Nambu ibid. 
De l'enquête rapide à l'histoire objective
Pour finir voici deux très brefs extraits d'un article intéressant dans lequel trois acteurs actuels et reconnus de la physique des particules et bons connaisseurs de celle du boson de Higgs tentent d'en brosser un historique bien informé :
The existence of the Higgs boson was first postulated in 1964 [1], following earlier theoretical work that introduced spontaneous symmetry breaking into condensed-matter [2] and particle physics [3–5]...   
B. W. Lee also carries much of the responsibility for calling the Higgs boson the Higgs boson, mentioning repeatedly ‘Higgs scalar fields’ in a review talk at the International Conference on High-Energy Physics in 1972 [29].
J. Ellis, M.K. Gaillard et D.V. Nanopoulos A Historical profile of the Higgs boson 29/01/12

Ce que certains physiciens (des particules?) reprochent à un fameux physicien de la matière condensée
//Dernière mise à jour (17/04/13) après le séminaire mentionné en préambule 
Si la physique porte sur l'étude d'êtres inanimés : particules individuelles ou condensées, l'histoire des sciences et le récit de sa médiatisation mettent en jeux des êtres très animés ! Certains blogs mettent cela bien en lumière. A ce sujet on recommande la lecture du dernier billet de Peter Woit, lequel a assisté au séminaire d'Anderson évoqué en introduction ! On peut aussi lire par curiosité les commentaires qui accompagnent son billet afin d'y découvrir d'autres enjeux ... voici l'un d'eux :
Well, it is true that Anderson spoke against the SSC and this ultimately greatly contributed to killing the project. However, this does not change the fact he did understand the mechanism before others. I think Jester once put this quite nicely in
“However, the name of Higgs somehow stuck, probably because it’s cute, or maybe because we all hate Anderson for cutting the throat of the SSC.”
Scientists are not immune to hatred, nationalism and others “isms” but, as best as we can, we should try to be. As I see, it is clear Anderson nailed it first, so everything else he might or might have not done should not be relevant….
I know that in the end this will be taken into account and the Nobel committee is certainly not made by neutral people without bias. However, this is what we should strive for. We should speak in favor of Anderson despite “hating his guts”.
Bernhard, commentaire sur le blog Not Even Wrong,  April 17, 2013 at 5:58 am, 






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jeudi 11 avril 2013

En quoi exactement le modèle standard extrapole les principes de la mécanique quantique ... (pour les rendre compatibles avec la relativité restreinte ?)

Sans commentaire // ou presque (13)

// Tout commence par la lecture de cet extrait de la préface du dernier livre de Jim Baggott, préface écrite par Steven Weinberg en personne, lequel revient sur la paternité de l'idée de boson de Higgs. Paternité qui est en partie revendiquée par le physicien P.W Anderson dont nous avons déjà parlé (et dont nous reparlerons très bientôt...)



Steven Weinberg, Foreword to the book from Jim Baggott Higgs (pages xix and xx): The Invention and Discovery of the "God  Particle" 06/07/12

// Il est utile de confronter ce commentaire de Weinberg, avec l'énoncé explicite, par Anderson lui même, de ce qui apparaît bel et bien comme une conjecture : celle de la validité du concept qui sera plus tard appelé mécanisme de Higgs. 

It is likely, then, considering the superconducting analog, that the way is now open for a degenerate-vacuum theory of the Nambu type without any difficulties involving either zero-mass Yang-Mills gauge bosons or zero-mass Goldstone bosons. These two types of bosons seem capable of “canceling each other out” and leaving finite mass bosons only.
Il est probable, alors, compte tenu de l'analogie avec la supraconductivité, que la voie est désormais ouverte sans difficulté majeure pour une théorie à la Nambu avec un vide dégénéré impliquant des bosons de jauge de Yang-Mills ou des bosons de Goldstone de masse nulle. Ces deux types de bosons semblent capables de "s'annuler mutuellement " en laissant seulement un boson de masse non nulle.
P. W. Anderson,  Plasmons, Gauge Invariance, and Mass 1963

// Il est clair que si la voie était bien ouverte grâce à Anderson pour comprendre l'origine possible des termes de masse pour les bosons de jauge du modèle standard, le chemin était loin d'être sans difficultés comme il le croyait! Il était au contraire barré par un obstacle de taille : la démonstration effective de l'annulation de plusieurs infinis, autrement dit le problème de la renormalisation du modèle des interactions électrofaibles ... exploit théorique initié (et obstacle surmonté) par  't Hooft et Veltman, lequel exploit nécessitait d'"élargir les concepts de la mécanique quantique pour permettre à la théorie d'être formulée d'une façon cohérente avec la relativité" pour reprendre la fin du texte précédemment cité de Weinberg. 
Peut-être qu'en physicien de la matière condensé habitué à penser en terme de théories effectives (n'ayant pas de sens en dessous de l'échelle atomique) et non relativistes, le défaut d'Anderson aux yeux des physiciens des particules était de ne pas attacher assez de valeur intrinsèque à la résolution du problème de du mécanisme de Higgs dans le cadre relativiste.

Maintenant que le blogueur a expliqué le contexte, il lui reste à chercher des éléments de réponse à la question posée dans le titre ...
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jeudi 4 avril 2013

L'annonce des premiers résultats d'AMS-02 se termine-t-elle sur un cliffhanger ?

// travail ... en suspens !

"Premiers résultats" ne veut pas dire "résultats préliminaires"
http://physics.aps.org/articles/v6/40
http://www.quantumdiaries.org/2013/04/03/april-2013-ams-liveblog/
Question (Pauline Gagnon): How many events above 350GeV? 
Answer (Sam Ting): We should wait for more statistics and better understanding. Note we do not put “Preliminary” on any results.

Pulsar (im)possible, matière noire (im)probable ? 
http://resonaances.blogspot.fr/2013/04/first-results-of-ams-02.html

Ce qu'"astrophysique de précision" veut dire
http://press.web.cern.ch/backgrounders/first-result-ams-experiment
The exact shape of the spectrum as shown [below], extended to higher energies, will ultimately determine whether this spectrum originates from the collision of dark matter particles or from pulsars in the galaxy. The high level of accuracy of this data shows that AMS will soon resolve this issue.

La fraction de positrons (mesurés par rapport au nombre total d’électrons et de positrons) capturée par AMS-02 en fonction de l’énergie des positrons est indiquée en rouge. Les barres verticales représentent la marge d’incertitude. La partie la plus importante de ce spectre se trouve à haute énergie, au-delà de 100 (ou 102) GeV. Là où les résultats de deux expériences précédentes sont aussi indiqués : en vert, ceux de Fermi et en bleu, ceux de PAMELA. Remarquez que la précision d’AMS-02 dépasse largement celle des expériences précédentes. Le spectre va aussi beaucoup plus haut en énergie. Reste à savoir si cette courbe chutera abruptement à plus haute énergie (signe que les positrons viendraient de matière sombre) ou pas (si les pulsars en sont la source). La collaboration attend d’avoir accumulé plus de données avant de se prononcer.
 Pauline Gagnon, Matière grise contre matière sombre 04/04/13

Entre fluctuations et falaise statistiques
http://physicsandphysicists.blogspot.fr/2013/04/ams-confirms-excess-positrons.html
Q: Is there a step in the spectrum?

A: Good question! Experiments in space are different to those on the ground. This was studied over Christmas, but it’s just fluctuations. “If you don’t have fluctuations something is wrong.”

La communication scientifique est un feuilleton (il n'y a pas de vulgaires /"simple" pulsars)
... pour la fin de l’histoire, il faudra encore patienter. Les données à haute énergie révéleront si ces positrons viennent de l’annihilation de particules de matière sombre, ou simplement de vulgaires pulsars. Combien de temps faudra-t-il encore attendre ? Le Prof. Ting n’a pas voulu le préciser. Peu importe, la communauté scientifique patientera en attendant que la collaboration AMS-02 ait suffisamment de données pour obtenir la précision nécessaire.
Pauline Gagnon, Matière grise contre matière sombre 04/04/13
... the punch line everyone was waiting for, will only be delivered at a later time. The data at very high energy will reveal if the observed excess in positrons comes from dark matter annihilation or from “simple” pulsars. How long will it take before the world gets this crucial answer from AMS-02? Prof. Ting would not tell. No matter how long, the whole scientific community will be waiting with great anticipation until the collaboration is confident their measurement is precise enough. And then we will know.
Pauline Gagnon, Grey matter confronted to dark matter 04/04/13

La découverte de la matière noire se lirait (déjà?) sur le visage du chercheur mais pas (encore?) dans ses résultats
http://motls.blogspot.fr/2013/04/ams-02-dark-matter-announcements.html



Et si la guerre des cordes cachait une conspiration venue de l'Est (une sorte de réplique au projet de guerre des étoiles de l'Ouest ;-)?
http://www.math.columbia.edu/~woit/wordpress/?p=5736
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mardi 2 avril 2013

Il y a plus de processus astrophysiques dans le ciel, Jester, que n'en rêve votre phénoménologie ...

Dialogue imaginaire avec un autre blogueur (2)

There is no such thing as boring astrophysical phenomena 
// En lisant le site Ca se passe la haut on apprenait vendredi dernier que la présentation à un large public des résultats expérimentaux de la collaboration AMS devrait avoir lieu demain 3 avril 2013 au CERN. Dans un précédent billet on a évoqué ce que le blogueur Lubos Motl espérait il y a quelques semaines de ces résultats. Nous nous penchons ici sur les réflexions plus anciennes d'un autre blogueur, Adam Falkowski, le plus souvent bien informé, raison pour laquelle nous le lisons régulièrement (son  pseudonyme sur la toile est Jester) et le citons fréquemment comme aujourd'hui :

Here is my understanding of what AMS could teach us. The official page of AMS lists the following scientific goals :
  • Search for primordial antimatter
  • Search for dark matter
  • Search for exotic forms of matter
  • Study of the cosmic ray composition
[...]
The PAMELA and FERMI satellites launched in the previous decade have been providing us with precise measurements of the high energy cosmic ray spectra. One thing we definitely have learnt is that it is painstaking to search for dark matter this way. Several excesses over theoretical predictions have been reported so far: PAMELA's positrons, Fermi's electrons, Fermi's photons from the galactic centre. They all have a plausible interpretation in terms of models of dark matter and an equally plausible interpretation in terms of boring astrophysical phenomena. AMS may provide more input regarding the high energy spectra.
[...]
particle physicists will be able to refine their models of dark matter, and astrophysicists to refine their models of pulsars. In any case, the chances for a smoking gun signal of dark matter appear slim at this point.
[...]
Nevertheless, there is one area where AMS is clearly superior to all previous experiments. The instrumentation of AMS includes a calorimeter, trackers, a Cherenkov detector and a time-of-flight detector to measure the energy, charge and mass of incoming particles. All this gives them very good particle identification, in particular they can easily separate heavier nuclei from much more numerous protons and helium nuclei. Flux ratios of various heavy nuclei, for example the boron-to-carbon ratio, are an important input for the models of cosmic ray production and propagation. Furthermore, if there exists exotic matter with distinct charge-to-mass ratio, for example the hypothetical strangelets with small Z/A, AMS is well equipped to identify it.
 Jester, Blog Résonnances : AMS is on 23/05/11

Respect is burning for astroparticles from the past (positrons, muons, hyperons) and all other mysterious ones  yet to come from cosmic rays
Les rayons cosmiques nous ont apportés les premières particules d'antimatière (positon 1932), de matière de seconde génération (muon 19), de matière étrange (hypéron). Permettront-ils de confirmer l'existence d'une matière noire non baryonique ? Il semble que la preuve susceptible d'être fournie par AMS-02 ne puisse être qu'indirecte et sujette à caution car la "trace" laissée dans le détecteur pourrait être confondue avec des signaux issus de pulsars comme le montre par exemple cet article mis en exergue par Motl dans ce commentaire. Gageons que la collaboration AMS avec à sa tête le professeur Ting saura  exploiter à fond sa connaissance intime de ce spectromètre de masse pour rayons cosmiques pour pouvoir en tirer, mieux que quiconque, la signature caractéristique d'une nouvelle matière "exotique"; matière qui ne saurait venir d'autre part que de quelque astre incroyablement compact ni être produite ailleurs qu'au cœur de quelque processus astrophysique extraordinairement violent comme seul le ciel sait en imaginer. Qui peut prévoir ce qui se passe précisément dans les entrailles d'une étoile à neutrons ou dans le noyau actif de notre galaxie ? 

Memento tenebris corpus 
Peut-être que la phénoménologie actuelle de la matière noire et celle de l'énergie sombre, comme celle hier du corps noir, réservent au physicien des surprises bien plus grandes encore que celles attendues des éventuels signaux de fumée de quelques "wimpibili" - potentielles particules légères interagissant faiblement avec la matière ordinaire -  ou des prédictions possibles d'une théorie quantique effective de la gravité  ... 

Mais quittons les sphères de la spéculation échevelée et espérons plus sagement, qu'après le satellite Planck, AMS-02 soit, pour reprendre les termes de Michael Turner, un autre formidable outil pour l'astrophysique et la cosmologie de précision.


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Pêche miraculeuse (ces drôles de physiciens et leurs dadas)

Sans commentaire // ou presque (12)

//Petite liste de poissons d'avril 2013 imaginé par quelques physiciens plus ou moins "fous":

Cosmologie conspirationniste ? la preuve par Planck !
Qui veut gagner un boson de Higgs et en prendre soin ? (seule source en français dans le texte) 

Voilà pour la friture d'hier ... en attendant un (vrai) gros poisson demain ?
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