Brisure de symétrie et supraconductivité
2011-2012 – huile sur toile – 50 x 61 cm – 600 €
Cette œuvre nous entraîne dans la physique des particules et dans les recherches menées au CERN avec le collisionneur LHC qui va ouvrir de nouveaux champs de recherche.
Dossier p. l. Sc p 19 : le LHC pourrait nous aider à préciser les différents types de particules élémentaires, et notamment pourquoi elles sont groupées en familles, il pourra peut-être éclairer quelque peu la nature de l’espace-temps. Ces grandes questions sont toutes liées entre elles et aux raisons pour lesquelles l’existence du Boson de Higgs a été prédite. Notre conception de la matière d’après le modèle standard met en jeu deux types fondamentaux de particules élémentaires : les leptons et les quarks et trois des quatre interactions fondamentales connues : les interactions nucléaires faible et forte et l’interaction électromagnétique. P. 20 : le principe directeur de la construction du modèle standard est la symétrisation des ses équations : les équations ne changent pas de forme quelle que soit la jauge, c’est-à-dire la perspective géométrique sous laquelle on les envisage. Il s’agit de rotations dans l’espace des paramètres internes aux particules. Les changements de perspective dans ces espaces portent le nom de « transformations de jauge », et l’invariance des équations quand on applique une transformation de jauge est nommée « invariance de jauge ». Imposer qu’un objet géométrique soit symétrique a de très fortes applications sur sa forme. L’invariance de jauge impose la présence de « champs de jauge » qui correspondent à des particules médiatrices des interactions. En d’autres termes l’existence des trois interactions fondamentales de la nature jouant un rôle dans le modèle standard est la conséquence directe de l’ invariance de jauge. L’interaction électromagnétique est à longue portée tandis que l’interaction nucléaire faible est à courte portée. Les physiciens pensent que ces interactions sont unifiées dans une même symétrie, mais que cette symétrie est cachée, ou « brisée ».
Dans le cadre du modèle standard les interactions faible et électromagnétique sont unifiées et constituent l’interaction électrofaible. Les bosons de jauge de l’interaction électrofaible sont au nombre de quatre : le photon pour l’interaction électromagnétique et les bosons Z W+ W- pour l’interaction faible.
LA SYMETRIE :
Au centre de l’œuvre nous observons un cas de symétrie dans les cercles rouges : je me reporte à Dossier p. l. Sc. p 20 dans l’encadré : dans le cas symétrique les flèches indiquant la nature d’un lepton ou d’un quark sont orientées dans toutes les directions de « l’espace » (l’espace des natures des leptons ou des quarks). Ce qui semblerait être un électron (demie billes bleu foncé sur l’œuvre) pour un observateur, pourrait être un mélange d’électron (demie bille bleu foncé) et de neutrino (demie bille rose) pour un autre, sans que cela n’induise de différences dans leurs prédictions. De même pour les quarks up (demie billes jaunes) et les quarks down (demie billes vertes). Si la symétrie était respectée, les particules de la force électrofaible auraient une masse nulle.
LA BRISURE DE SYMETRIE :
Mais la Brisure de Symétrie confère une masse aux bosons W et Z limitant ainsi leur portée.
Sur l’œuvre en allant vers l’extérieur dans les deux cercles orange les bosons W sont représentés : en gris clair pour le W+ en gris moyen pour le W- et en gris foncé pour le Z. Au delà des cercles orange les particules apparaissent dans les cercles jaunes : la symétrie est brisée, la même convention est fixée partout, de sorte que ce qu’un observateur nomme électron est aussi un électron pour les autres observateurs. C’est le Boson de Higgs qui induit cette brisure de symétrie. Chaque particule apparaît indépendante sur l’œuvre, le quark up est représenté en bille rouge sur fond jaune. Pour les autres particules les couleurs sont les mêmes que sur le fond rouge : électron (billes bleues) neutrino (billes rose foncé) quark down (billes vertes).
LA SUPRACONDUCTIVITE :
Dans la partie bleue au bord de l’œuvre nous découvrons la supraconductivité à très basse température : S et V. n° 1123 avril 2011 p 114-115 : à – 270°C certains matériaux deviennent supraconducteurs. Dès 1957 la nature quantique du phénomène se dévoile : près du zéro absolu, les électrons s’assemblent brutalement en une onde cohérente. Restait un os : la physique quantique est catégorique : les électrons qui appartiennent à la famille des fermions ne peuvent pas s’unir en un seul objet nommé « condensat ». Seuls les bosons peuvent former des condensats. Mais dans le métal les électrons utilisent une astuce et s’assemblent deux à deux formant une nouvelle entité nommée « paire de Cooper ». Et les « paires de Cooper » sont des bosons.
Sur l’œuvre les électrons symbolisés sur fond bleu en billes jaunes et oranges s’assemblent donc en « paires de cooper » représentées par une onde gris clair qui entoure les deux électrons.
Dossier pour La Science n° 62 page 21 : dans les années 1960 Yoichiro Nambu, Peter Higgs, Robert Brout, François Englert et d’autres avaient développé l’appareillage théorique nécessaire au concept de « brisure de symétrie »/ L’idée vient d’un phénomène sans rapport avec la physique des particules : la supraconductivité, c’est-à-dire la disparition totale de résistance électrique à basse température dans certains matériaux. Au sein d’un supraconducteur, tout se passe comme si les photons acquéraient une masse, ce qui limite l’intrusion du champ magnétique dans le matériau.
Or ce phénomène fournit un modèle à imiter pour créer un mécanisme conférant une masse aux particules de la théorie électrofaible, en d’autres termes pour briser sa symétrie. Si l’espace où se meuvent les particules est rempli d’une sorte de milieu « supraconducteur » affectant l’interaction faible, mais pas l’interaction électromagnétique, alors les bosons W et Z deviennent massifs, ce qui limite la portée de l’interaction faible. Cette façon de conférer de la masse aux particules permet de respecter la logique de construction de la théorie électrofaible à partir d’une symétrie.
Voilà pourquoi j’ai représenté sur cette œuvre la Brisure de Symétrie et la Supraconductivité.
Symmetry and superconductivity fragmentation
This artwork was inspired by the articles found on the magazines « Dossier pour la Science » (“Dossier for the Science” magazine) n° 62 and « Science et Vie » (“Science and Life” magazine) n° 1123 that haul us into the physics of particles and into researches conducted at the CERN with the LHC collider that could help us to define the different types of elementary particles. These major questions are linked to the existence of the Higgs boson.
According to the Standard Model, 2 fundamental types of elementary particles emerge: leptons and quarks, together with 3 out of the 4 known fundamental interactions: nuclear interactions weak and strong, and electromagnetic interaction. Equations do not vary whatever is the capacity or the geometric perspective that is contemplated. Perspective changes are named « gauge transformation ». When a gauge transformation is applied, equations invariance is called « gauge invariance ». The invariance of gauge sets the presence of « gauge fields » which correspond to interactions mediating particles. The three nuclear fundamental interactions, namely weak, strong and electromagnetic are therefore the direct consequences of the gauge invariance. Physicians think that these interactions are unified in one and a same symmetry, but this symmetry is hidden or “broken”.
Weak and electromagnetic interactions of the Standard Model are unified and constitute the electroweak interaction. The bosons of the electroweak gauge interaction are four: the photon for the electromagnetic interaction and the bosons Z, W+ and W- for the weak interaction.
SYMMETRY: we notice it in the centre of the artwork in red circles: the arrows indicating the nature of a lepton or of a quark are all oriented towards the « space » direction (the space of lepton or quark natures). What seems to be an electron (dark blue half beads) for one observer, could be a mix of electron (dark blue half beads) and neutrino (pink half beads) for another observer, in the same way, for the up (yellow half beads) and down (green half beads) quarks. If symmetry was respected, the particles of electroweak force could have a zero mass.
BROKEN SYMMETRY: but the Broken Symmetry gives a mass to the W and Z bosons, setting then limits to their range. Towards the outer part of the artwork, in orange and red circles, W and Z bosons are depicted: in light grey for the W+, in medium grey for the W- and in dark grey for the Z. In the yellow circles, the symmetry is broken, the same convention applies everywhere, so that what an observer names electron is also an electron for other observers. Each particle appears independent on the painting: the up quark is represented in red beads on a yellow background, for the other particles, colors are the same as on the red background: electron (blue beads), neutrino (dark pink beads) and down quark (green beads).
SUPERCONDUCTIVITY: « Science et Vie » (« Science and Life » magazine n° 1123 p 114-115): in the blue part, we discover superconductivity at very low temperature, – 270 °C on the edge of the painting. Near to the absolute zero, electrons get together abruptly in one wave: in the metal, they get together 2 by 2 (yellow and orange beads) and form a new entity called « Cooper pair » and become bosons.