So last year, on the Fourth of July, experiments at the Large Hadron Collider discovered the Higgs boson. It was a historical day. There's no doubt that from now on, the Fourth of July will be remembered not as the day of the Declaration of Independence, but as the day of the discovery of the Higgs boson. Well, at least, here at CERN.
L'année dernière, le 4 juillet, suite à des recherches au Large Hadron Collider, le boson de Higgs a été découvert. Ce fut un jour historique. Il n'y a aucun doute que, désormais, on se souviendra du 4 juillet non pas comme étant le jour de la Déclaration d'Indépendance des Etats-Unis mais comme le jour de la découverte du boson de Higgs. Enfin, du moins, ici, au CERN.
But for me, the biggest surprise of that day was that there was no big surprise. In the eye of a theoretical physicist, the Higgs boson is a clever explanation of how some elementary particles gain mass, but it seems a fairly unsatisfactory and incomplete solution. Too many questions are left unanswered. The Higgs boson does not share the beauty, the symmetry, the elegance, of the rest of the elementary particle world. For this reason, the majority of theoretical physicists believe that the Higgs boson could not be the full story. We were expecting new particles and new phenomena accompanying the Higgs boson. Instead, so far, the measurements coming from the LHC show no signs of new particles or unexpected phenomena.
Mais pour moi, la plus grande surprise de cette journée fut qu'il n'y a pas eu de grande surprise. Du point de vue d'un physicien théoricien, le boson de Higgs est une explication intelligente de la façon dont certaines particules élémentaires gagnent de la masse, mais c'est une solution qui semble incomplète et assez peu satisfaisante. Trop de questions restent sans réponses. Le boson de Higgs n'a pas la beauté, la symétrie, l'élégance, du monde des particules élémentaires. Pour cette raison, la majorité des physiciens théoriciens estime que le boson de Higgs n'explique pas tout. Nous nous attendions à de nouvelles particules, de nouveaux phénomènes, accompagnant le boson de Higgs. Mais, pour l'instant, rien dans les mesures provenant du LHC ne laisse penser que de nouvelles particules ou des phénomènes inattendus vont apparaître.
Of course, the verdict is not definitive. In 2015, the LHC will almost double the energy of the colliding protons, and these more powerful collisions will allow us to explore further the particle world, and we will certainly learn much more.
Bien sûr, le verdict n'est pas définitif. En 2015, le LHC doublera presque l'énergie de la collision entre protons, et ces collisions encore plus puissantes nous permettront d'explorer plus avant le monde des particules, et nous en apprendrons certainement beaucoup plus.
But for the moment, since we have found no evidence for new phenomena, let us suppose that the particles that we know today, including the Higgs boson, are the only elementary particles in nature, even at energies much larger than what we have explored so far. Let's see where this hypothesis is going to lead us. We will find a surprising and intriguing result about our universe, and to explain my point, let me first tell you what the Higgs is about, and to do so, we have to go back to one tenth of a billionth of a second after the Big Bang. And according to the Higgs theory, at that instant, a dramatic event took place in the universe. Space-time underwent a phase transition. It was something very similar to the phase transition that occurs when water turns into ice below zero degrees. But in our case, the phase transition is not a change in the way the molecules are arranged inside the material, but is about a change of the very fabric of space-time.
Mais pour l'instant, vu que nous n'avons trouvé aucune trace de nouveaux phénomènes, on supposera que les particules que nous connaissons aujourd'hui, dont le boson de Higgs, sont les seules particules élémentaires dans la nature, même à des énergies beaucoup plus grandes que ce que nous avons explorées jusqu'à présent. Voyons où cette hypothèse nous conduit. Nous allons trouver un résultat surprenant et intriguant concernant notre univers, et afin de bien me faire comprendre, laissez-moi d'abord vous expliquer ce qu'est le boson de Higgs. Pour cela, nous devons retourner à un dixième de milliardième de seconde après le Big Bang. Selon la théorie de Higgs, à ce moment-là, un événement spectaculaire s'est produit dans l'univers. L'espace-temps a subi une transition de phase. Ça a été quelque chose de très similaire à la transition de phase qui se produit lorsque l'eau se transforme en glace en dessous de zéro degrés. Mais dans notre cas, la transition de phase n'est pas un changement dans la façon dont les molécules sont arrangées dans la matière, mais c'est un changement du continuum même de l'espace-temps.
During this phase transition, empty space became filled with a substance that we now call Higgs field. And this substance may seem invisible to us, but it has a physical reality. It surrounds us all the time, just like the air we breathe in this room. And some elementary particles interact with this substance, gaining energy in the process. And this intrinsic energy is what we call the mass of a particle, and by discovering the Higgs boson, the LHC has conclusively proved that this substance is real, because it is the stuff the Higgs bosons are made of. And this, in a nutshell, is the essence of the Higgs story.
Pendant cette transition de phase, l'espace vide s'est rempli d'une substance que nous appelons maintenant le champ de Higgs. Cette substance peut nous sembler invisible, mais elle a une réalité physique. Elle nous entoure tout le temps, tout comme l'air que nous respirons dans cette salle. Et certaines des particules élémentaires réagissent avec cette substance en gagnant de l'énergie. Cette énergie intrinsèque est ce que nous appelons la masse d'une particule, et en découvrant le boson de Higgs, le LHC a prouvé que cette substance était réelle, parce que c'est de ça dont les bosons de Higgs sont fait. Voilà, en résumé, l'histoire de Higgs.
But this story is far more interesting than that. By studying the Higgs theory, theoretical physicists discovered, not through an experiment but with the power of mathematics, that the Higgs field does not necessarily exist only in the form that we observe today. Just like matter can exist as liquid or solid, so the Higgs field, the substance that fills all space-time, could exist in two states. Besides the known Higgs state, there could be a second state in which the Higgs field is billions and billions times denser than what we observe today, and the mere existence of another state of the Higgs field poses a potential problem. This is because, according to the laws of quantum mechanics, it is possible to have transitions between two states, even in the presence of an energy barrier separating the two states, and the phenomenon is called, quite appropriately, quantum tunneling. Because of quantum tunneling, I could disappear from this room and reappear in the next room, practically penetrating the wall. But don't expect me to actually perform the trick in front of your eyes, because the probability for me to penetrate the wall is ridiculously small. You would have to wait a really long time before it happens, but believe me, quantum tunneling is a real phenomenon, and it has been observed in many systems. For instance, the tunnel diode, a component used in electronics, works thanks to the wonders of quantum tunneling.
Mais l'histoire est bien plus intéressante que cela. En étudiant la théorie de Higgs, des physiciens théoriciens ont découvert, non par une expérience, mais grâce au pouvoir des mathématiques, que le champ de Higgs pourrait ne pas exister uniquement dans la forme que nous observons aujourd'hui. Tout comme la matière peut exister à l'état liquide ou solide, le champ de Higgs, la substance qui remplit tout l'espace-temps, pourrait exister sous deux états. En plus de l'état de Higgs que nous connaissons, il pourrait y avoir un second état dans lequel le champ de Higgs serait des milliards de milliards de fois plus dense que ce que nous observons aujourd'hui, et la simple existence d'un autre état du champ de Higgs pose un problème potentiel. Car selon les lois de la mécanique quantique, il est possible de passer d'un état à l'autre même en présence d'une barrière d'énergie séparant les deux états, et ce phénomène est appelé de manière plutôt pertinente, l'effet tunnel. A cause de l'effet tunnel, je pourrais disparaître de cette salle et réapparaître dans la salle voisine, en traversant quasiment le mur. Mais ne vous attendez pas à ce que je réalise ce tour devant vos yeux, parce que la probabilité que je traverse le mur est ridiculement faible. Il faudrait attendre très longtemps avant que cela n'arrive, mais croyez-moi, l'effet tunnel est un phénomène réel, et il a été observé dans plusieurs systèmes. Par exemple, le diode à effet tunnel, un composant utilisé en électronique, fonctionne grâce au miracle de l'effet tunnel.
But let's go back to the Higgs field. If the ultra-dense Higgs state existed, then, because of quantum tunneling, a bubble of this state could suddenly appear in a certain place of the universe at a certain time, and it is analogous to what happens when you boil water. Bubbles of vapor form inside the water, then they expand, turning liquid into gas. In the same way, a bubble of the ultra-dense Higgs state could come into existence because of quantum tunneling. The bubble would then expand at the speed of light, invading all space, and turning the Higgs field from the familiar state into a new state.
Mais revenons au champ de Higgs. Si l'ultra-dense état de Higgs existe, alors, à cause de l'effet tunnel, une bulle de cet état pourrait soudainement apparaître à un certain endroit de l'univers, à un certain moment, un peu comme ce qui se passe lorsque vous faites bouillir de l'eau. Des bulles de vapeur se forment dans l'eau, puis s'agrandissent en transformant le liquide en gaz. De la même façon, une bulle d'ultra-dense état de Higgs pourrait apparaître à cause de l'effet tunnel. La bulle se dilaterait alors à la vitesse de la lumière, envahissant tout espace, et faisant passer le champ de Higgs de l'état qu'on connait à un nouvel état.
Is this a problem? Yes, it's a big a problem. We may not realize it in ordinary life, but the intensity of the Higgs field is critical for the structure of matter. If the Higgs field were only a few times more intense, we would see atoms shrinking, neutrons decaying inside atomic nuclei, nuclei disintegrating, and hydrogen would be the only possible chemical element in the universe. And the Higgs field, in the ultra-dense Higgs state, is not just a few times more intense than today, but billions of times, and if space-time were filled by this Higgs state, all atomic matter would collapse. No molecular structures would be possible, no life.
Est-ce un problème ? Oui, c'est un gros problème. Nous ne nous en rendons peut-être pas compte dans la vie quotidienne, mais l'intensité du champ de Higgs est cruciale pour la structure de la matière. Si le champ de Higgs était seulement un peu plus intense, nous verrions les atomes rétrécir, les neutrons se décomposer au sein des noyaux atomiques, les noyaux se désintégrer et l'hydrogène serait le seul élément chimique possible dans l'univers. Or le champ de Higgs, dans l'ultra-dense état de Higgs, n'est pas seulement un peu plus intense qu'aujourd'hui, mais des milliards de fois plus intense, et si l'espace-temps était remplit par l'état de Higgs, tout la matière atomique s'écroulerait. Aucune structure moléculaire ne serait possible, aucune vie.
So, I wonder, is it possible that in the future, the Higgs field will undergo a phase transition and, through quantum tunneling, will be transformed into this nasty, ultra-dense state? In other words, I ask myself, what is the fate of the Higgs field in our universe? And the crucial ingredient necessary to answer this question is the Higgs boson mass. And experiments at the LHC found that the mass of the Higgs boson is about 126 GeV. This is tiny when expressed in familiar units, because it's equal to something like 10 to the minus 22 grams, but it is large in particle physics units, because it is equal to the weight of an entire molecule of a DNA constituent.
Donc, je m'interroge, est-il possible que dans le futur, le champ de Higgs subisse une transition de phase, et, par effet tunnel, soit transformé en ce méchant état ultra-dense ? En d'autres mots, je me demande, quel est le destin du champ de Higgs dans notre univers ? L'ingrédient crucial nécessaire pour répondre à cette question est la masse du boson de Higgs. Les expériences au LHC ont montré que la masse du boson de Higgs était d'environ 126 GeV. C'est minuscule comparé aux unités courantes, parce que c'est équivalent à quelque chose comme 10 puissance moins 22 grammes, mais c'est gros comparé aux unités des particules élémentaires, car c'est équivalent au poids d'une molécule entière d'un composant d'ADN.
So armed with this information from the LHC, together with some colleagues here at CERN, we computed the probability that our universe could quantum tunnel into the ultra-dense Higgs state, and we found a very intriguing result. Our calculations showed that the measured value of the Higgs boson mass is very special. It has just the right value to keep the universe hanging in an unstable situation. The Higgs field is in a wobbly configuration that has lasted so far but that will eventually collapse. So according to these calculations, we are like campers who accidentally set their tent at the edge of a cliff. And eventually, the Higgs field will undergo a phase transition and matter will collapse into itself.
Armés de cette information provenant du LHC, avec quelques collègues ici, au CERN, nous avons calculé la probabilité que notre univers puisse emprunter l'effet tunnel vers l'ultra-dense état de Higgs, et nous avons trouvé un résultat très intriguant. Nos calculs ont démontré que la valeur mesurée de la masse du boson de Higgs est très spéciale. Elle a juste la valeur nécessaire pour conserver l'univers en équilibre dans une situation instable. Le champ de Higgs est une configuration chancelante qui a duré jusqu'à présent, mais qui finira par s'écrouler. Selon ces calculs, nous sommes donc comme des campeurs qui ont accidentellement monté leur tente au bord d'une falaise. Un jour ou l'autre, le champ de Higgs subira une transition de phase et la matière s'effondrera sur elle-même.
So is this how humanity is going to disappear? I don't think so. Our calculation shows that quantum tunneling of the Higgs field is not likely to occur in the next 10 to the 100 years, and this is a very long time. It's even longer than the time it takes for Italy to form a stable government.
Est-ce ainsi que l'humanité disparaîtra ? Je ne le pense pas. Nos calculs montrent que l'effet tunnel du champ de Higgs n'a pas de grande chance d'arriver dans les prochaines 10 puissance 100 années, ce qui est une durée très longue. C'est même plus long que le temps qu'il faut à l'Italie pour former un gouvernement stable.
(Laughter)
(Rires)
Even so, we will be long gone by then. In about five billion years, our sun will become a red giant, as large as the Earth's orbit, and our Earth will be kaput, and in a thousand billion years, if dark energy keeps on fueling space expansion at the present rate, you will not even be able to see as far as your toes, because everything around you expands at a rate faster than the speed of light. So it is really unlikely that we will be around to see the Higgs field collapse.
Quoi qu'il en soit, nous serons partis depuis longtemps. Dans environ 5 milliards d'années, notre soleil deviendra une géante rouge, aussi grosse que l'orbite de la Terre, et notre planète sera kaputt. Et dans mille milliards d'années, si l'énergie noire continue d'alimenter l'expansion de l'univers au même rythme qu'aujourd'hui, vous ne pourrez même plus voir vos orteils, parce que tout autour de vous se dilaterait plus rapidement que la vitesse de la lumière. Il est donc très peu probable que nous soyons présents pour voir le champ de Higgs s'écrouler.
But the reason why I am interested in the transition of the Higgs field is because I want to address the question, why is the Higgs boson mass so special? Why is it just right to keep the universe at the edge of a phase transition? Theoretical physicists always ask "why" questions. More than how a phenomenon works, theoretical physicists are always interested in why a phenomenon works in the way it works. We think that this these "why" questions can give us clues about the fundamental principles of nature. And indeed, a possible answer to my question opens up new universes, literally. It has been speculated that our universe is only a bubble in a soapy multiverse made out of a multitude of bubbles, and each bubble is a different universe with different fundamental constants and different physical laws. And in this context, you can only talk about the probability of finding a certain value of the Higgs mass. Then the key to the mystery could lie in the statistical properties of the multiverse. It would be something like what happens with sand dunes on a beach. In principle, you could imagine to find sand dunes of any slope angle in a beach, and yet, the slope angles of sand dunes are typically around 30, 35 degrees. And the reason is simple: because wind builds up the sand, gravity makes it fall. As a result, the vast majority of sand dunes have slope angles around the critical value, near to collapse. And something similar could happen for the Higgs boson mass in the multiverse. In the majority of bubble universes, the Higgs mass could be around the critical value, near to a cosmic collapse of the Higgs field, because of two competing effects, just as in the case of sand.
Mais la raison pour laquelle je m'intéresse à la transition du champ de Higgs, c'est que je veux examiner cette question : pourquoi la masse du boson de Higgs est-elle si spéciale ? Pourquoi est-elle juste parfaite pour garder l'univers à la limite d'une transition de phase ? Les physiciens théoriciens se demandent toujours "pourquoi ?" Plutôt que "comment" un phénomène fonctionne, les physiciens théoriciens s'intéressent toujours à pourquoi un phénomène fonctionne de cette manière. Nous pensons que ces "pourquoi" peuvent nous donner des indices concernant les principes fondamentaux de la nature. Et en effet, une réponse possible à ma question ouvre de nouveaux univers, littéralement. Il a été imaginé que notre univers était juste une bulle dans un multivers savonneux fait d'une multitude de bulles, et que chaque bulle était un univers différent, avec des constantes fondamentales différentes, et des lois physiques différentes. Dans ce contexte, on peut seulement parler de la probabilité de trouver une certaine valeur à la masse de Higgs. Ainsi la clé du mystère pourrait résider dans les propriétés statistiques du multivers. Ce serait quelque chose de similaire à ce qui se passe avec les dunes de sable sur une plage. En principe, on pourrait imaginer trouver des dunes de sable avec des pentes de n'importe quel angle sur une plage, et pourtant, l'angle d'inclinaison des dunes de sable tourne habituellement autour de 30 à 35 degrés. Et la raison en est simple : le vent entasse le sable, la gravité le fait retomber. Par conséquent, la grande majorité des dunes de sable a un angle d'inclinaison qui tourne autour de la valeur critique proche de l'écroulement. Il pourrait se passer quelque chose de similaire pour la masse du boson de Higgs dans le multivers. Dans la majorité des bulles d'univers, la masse de Higgs pourrait être égale à une valeur critique proche d'un effondrement cosmique du champ de Higgs, à cause de deux effets en concurrence, exactement comme dans le cas du sable.
My story does not have an end, because we still don't know the end of the story. This is science in progress, and to solve the mystery, we need more data, and hopefully, the LHC will soon add new clues to this story. Just one number, the Higgs boson mass, and yet, out of this number we learn so much. I started from a hypothesis, that the known particles are all there is in the universe, even beyond the domain explored so far. From this, we discovered that the Higgs field that permeates space-time may be standing on a knife edge, ready for cosmic collapse, and we discovered that this may be a hint that our universe is only a grain of sand in a giant beach, the multiverse.
Mon histoire n'a pas de conclusion, parce que nous ne connaissons toujours pas la fin de l'histoire. Voilà ce qu'est la science en train de se faire, pour résoudre le mystère, nous avons besoin de plus de données, et, avec un peu de chance, le LHC apportera bientôt de nouveaux indices à cette histoire. Juste un nombre, la masse du boson de Higgs, et déjà, de ce nombre, nous avons tant appris. Je suis parti de l'hypothèse, qu'ils n'y a pas d'autres particules dans l'univers que celles que nous connaissons déjà, même au-delà du domaine exploré jusqu'à présent. En partant de cela, nous avons découvert que le champ de Higgs, qui s'infiltre dans l'espace-temps, se tient peut être sur le fil du rasoir, prêt pour un effondrement cosmique, et nous avons découvert que cela pourrait indiquer que notre univers n'est qu'un grain de sable sur une plage géante, le multivers.
But I don't know if my hypothesis is right. That's how physics works: A single measurement can put us on the road to a new understanding of the universe or it can send us down a blind alley. But whichever it turns out to be, there is one thing I'm sure of: The journey will be full of surprises.
Mais je ne sais pas si mon hypothèse est juste. C'est comme ça que la physique fonctionne : une simple mesure peut nous mettre sur la voie d'une nouvelle façon de concevoir l'univers, ou peut nous envoyer droit dans un cul-de-sac. Mais, quoi qu'il advienne, il y a une chose dont je suis sûr : le voyage sera plein de surprises.
Thank you.
Merci.
(Applause)
(Applaudissements)