Le modèle standard de la physique des particules s’appuie sur l’existence d’un petit nombre de particules dites « élémentaires », au sens où elles sont sans structure interne et insécables. On les classe dans deux catégories principales : les leptons et les quarks.
LES FERMIONS
Au sens le plus rigoureux, les particules élémentaires sont ce qu’on nomme des « fermions ». Ces fermions élémentaires se regroupent en deux grandes familles : les leptons (qui comprennent eux-mêmes les électrons, les muons, les tauons, et les neutrinos), qui ne sont pas soumis à l’interaction nucléaire forte, et les quarks qui, eux, sont soumis à toutes les interactions de la nature. « On appelle leptons les particules insensibles à l’interaction nucléaire forte qui assure la cohésion des noyaux atomiques. On sait aujourd’hui qu’il en existe six sortes. Les trois premiers sont des leptons de charge électrique nulle et de masse très faible : ce sont les neutrinos. Les trois autres sont des leptons massifs et électriquement chargés : l’électron, le muon et le lepton tau, qui se présentent comme des particules identiques sous tous leurs aspects sauf leur masse et leur durée de vie. Le muon, 206 fois plus lourd que l’électron, se désintègre au bout de quelques microsecondes en un électron, un neutrino et un antineutrino. Le lepton tau, lui, est encore plus lourd et sa durée de vie est très brève, de l’ordre de 1O’3 seconde »précise physicien Étienne Klein. À l’origine, le mot « lepton » vient du grec et signifie « léger ». Cela vient du fait que dans les années 1950, les trois grandes catégories de particules connues étaient les leptons, les mésons et les baryons, respectivement « légers », « moyens » et « lourds ». Depuis, on a constaté que certains leptons pouvaient être plus lourds que certains baryons (particules formées de trois quarks), mais le mot est resté. Pour Étienne Klein, « tout laisse penser aujourd’hui que les leptons sont des particules véritablement élémentaires, c’est-à-dire qu’ils ne sont pas formés d’entités plus petites. Grâce aux accélérateurs de particules, on peut frapper sur l’électron avec une énergie énorme, supérieure à cent mille fois celle qu’il doit à sa propre masse, et pourtant on n’a jamais réussi à le « casser » en morceaux ni à sentir la structure granulaire qu’il pourrait dissimuler en son sein. Comme toute particule, chaque lepton possède son antiparticule, de même masse que lui et de charge électrique opposée. L’antiparticule de l’électron s’appelle le positron. Existent aussi l’antimuon, l’antitau et trois sortes d’antlneutrinos ». La matière est composée d’atomes que les scientifiques ont longtemps pris pour des particules élémentaires… jusqu’à ce qu’ils comprennent que les atomes pouvaient se diviser en de plus petites particules.
LA THEORIE DES QUARKS
Il existe plus de 350 hadrons, soit 350 particules sensibles à l’interaction forte. La plupart de ces particules ont été détectées soit dans le rayonnement cosmique, soit par des expériences à haute énergie menées auprès des grands accélérateurs de particules après la Seconde Guerre mondiale. Au début des années 1960, les physiciens avaient tendance à penser que des particules aussi nombreuses et aussi diverses ne pouvaient pas être élémentaires, donc insécables et sans structure interne. « Énoncée pour la première fois en 1964 par Murray Gell-Mann et indépendamment par Georges Zweig, la théorie des quarks vint donnera cette
intuition l’honneur d’une première formalisation. Elle partait du principe que les hadrons pourraient être des particules composites, constituées de grains plus petits qu’eux-mêmes, les quarks. Certains hadrons, appelés les baryons, seraient constitués de trois quarks. Les autres, appelés des mésons, seraient constitués d’un quark et d’un antiquark. Guère applaudie au début, cette invention de théoricien acquit ses lettres de noblesse au fur et à mesure qu ‘elle fut corroborée par les expériences, notamment à partir de 1974. Finalement, elle permit de comprendre très finement la structure des hadrons » explique Étienne Klein. On sait aujourd’hui qu’il existe autant de sortes de quarks que de sortes de leptons, six sortes caractérisées par ce qu’on nomme une « saveur ». Les six saveurs des quarks sont désignées par les lettres suivantes : u, d, s, c, b et t, correspondant respectivement aux initiales anglaises : up, down, strange, charm, bottom et top. À partir de ces saveurs, on peut recomposer tous les hadrons connus. « Outre la saveur, les quarks ont une autre propriété, tout aussi importante, qui porte le nom de “couleur ». Le sens que les physiciens des particules donnent à ce mot n’a pas plus à voir avec la couleur réelle d’un objet que la saveur d’un quark n ‘en a avec l’arôme d’un bon plat (. . .) Leur couleur désigne simplement une étiquette qu’ils portent et qui pilote leur façon d’interagir par le biais de l’interaction nucléaire forte. Il existe trois couleurs possibles pour les quarks, arbitrairement choisies : le rouge, le bleu et le vert. Dans un proton ou un neutron, les trois quarks ont chacun une couleur différente : il y a donc un quark rouge, un quark vert et un quark bleu. En moyenne, le proton ou le neutron sont donc “blancs” puisque le blanc peut être
considéré comme l’addition de toutes les couleurs » ajoute Étienne Klein. Ce que nous explique la théorie des quarks, c’est que seules les particules blanches sont détectables en laboratoire. Les quarks porteurs d’une couleur précise sont malheureusement inobservables isolément.
En effet, on ne peut detecter que des hadrons, jamais des quarks seuls. Une seule famille (électron, neutrino, quark u et quark d) semble suffisante pour rendre compte de la matière qui nous entoure. Mais alors à quoi servent les autres particules ? Mystère…
Aller plus loin
DIRAC, LES ANTIPARTICULES ET LES VOYAGES DANS LE TEMPS
Voyager dans le temps est un grand thème de littérature fantastique et du cinéma de science- fiction. Mentionnons notamment La Machine à explorer le temps d’H.G Wells, paru en 1895, qui en est l’archétype. Nous savons aujourd’hui qu’il est impossible de voyager dans le temps. Deux preuves sont avancées : l’une purement physique et l’autre purement logique. En 1927, le physicien Paul Dirac a prédit par ses équations l’existence de l’antimatière. Il y avait deux interprétations possibles à ses équations : soit il existe des particules qui remontent le cours du temps, soit il existe des antiparticules qui suivent le cours du temps. Si le principe de causalité est une loi de la nature, alors c’est la deuxième solution qui s’impose. Cette solution s’est confirmée lorsqu’en 1932, Cari Anderson a découvert expérimentalement l’antiparticule de l’électron : le positron. Dès lors, il est bien totalement impossible de remonter le temps. Passons à la preuve logique : l’idée de la machine dans le temps est séduisante, mais elle pose un énorme problème : si quelqu’un fabriquait dans le futur une machine à remonter le temps, comment expliquer que nous n’en disposions pas déjà ? Admettons qu’une telle machine soit fabriquée en 2050. Il lui suffirait de remonter le temps de quelques dizaines d’années pour nous atteindre et créer plus tôt la machine. Une machine à remonter le temps, capable de visiter toutes les époques, devrait être intemporelle par nature. Si une machine à voyager dans le temps était possible, même si découverte en 4076, les hommes préhistoriques l’auraient su puisqu’ils auraient été visités par l’humanité future. Puisqu’elle n’existe pas dans notre présent, elle n’existe par définition pas dans le futur non plus. Le seul contre-argument possible à cela est : la machine a pu être créée dans le futur sans que l’humanité du futur ait jugé bon de revenir dans le temps avant les années 2020 par exemple. «LA PLUPART DE CES ÉLÉMENTS ONT ÉTÉ DÉTECTÉS SOIT DANS LE RAYONNEMENT COSMIQUE, SOIT PAR DES EXPÉRIENCES À HAUTE ÉNERGIE MENÉES AUPRES DES GRANDS ACCÉLÉRATEURS DE PARTICULES… » saviez-vous ? Si la notion d’atome remonte a L’Antiquité, elle pose désormais problème sur le plan sémantique : « atome » signifie « insécable » en grec. Or, on a appris depuis que tes atomes sont constitués eux-mêmes d’objets élémentaires qui, eux, sont bien insécables : les fameuses particules élémentaires. LES BOSONS
Depuis 201 2, avec la decouverte du boson de Higgs, ce dernier a totalement éclipsé le reste de sa famille. Car les bosons forment bien une famille de particules de spin entier, et obéissant à la statistique Bose- Einstein. Leur spin entier les différencie des fermions, qui sont de spin demi-entier. Quelles sont les particules élémentaires classées dans la famille de bosons ? Les photons, les gluons et les bosons Z et W. Ces bosons sont les « bosons de jauge » du modèle standard. Ils agissent comme des porteurs d’une interaction élémentaire et chacun correspond à l’une des trois interactions élémentaires du modèle standard. Les photons sont les bosons de jauge de l’interaction électromagnétique, les bosons W et Z sont les bosons de jauge de l’interaction nucléaire faible et les gluons sont les bosons de jauge de l’interaction nucléaire forte. Si vous avez suivi jusqu’ici, vous aurez noté qu’il manque une interaction… la force gravitationnelle ! C’est le postulat sur
lequel s’appuient les chercheurs pour poser l’hypothèse d’un boson de jauge de la force gravitationnelle : le graviton. Ce boson est encore théorique, son existence n’a jamais été démontrée. « Le vecteur des interactions fondamentales est l’échange de particules. Une onde électromagnétique peut être vue comme un faisceau de photons. On peut, de la même façon, se représenter l’interaction nucléaire faible comme portée par des particules connues sous le nom de bosons W et Z, cependant que l’interaction nucléaire forte est transmise par l’intermédiaire des gluons » précise Joanne Baker, docteur en physique.
BOSON DE HIGGS, LA PARTICULE DE DIEU
Dans les années 1 960, on disposait d’une théorie pour décrire les interactions entre particules qui commençaient à s’ébaucher
Les physiciens peinent à retranscrire par l’expérience les vitesses et les transferts d’énergies de l’univers primordial. Les collisions de particules reproduites sont encore trop faibles pour pouvoir « rejouer » le réel originel. de manière commune pour toutes les interactions (nucléaire faible, nucléaire forte, électromagnétisme). Il s’agissait d’associer à chacune des interactions fondamentales un groupe de symétries, une structure mathématique qui, dès lors qu’elle était identifiée pour une interaction donnée, permettait de déterminer complètement la structure de l’interaction. Or un jour, les physiciens ont compris que du seul fait qu’on associait aux interactions des groupes de symétries mathématiques, cela impliquait que la masse des particules qui transportent ces interactions, et plus généralement, la masse de toutes les particules élémentaires, devait être… nulle. Cela posait un vrai problème. L’électron a bien une masse non nulle, le muon et les neutrinos également. .. Il y avait donc une contradic- tion entre les prédictions de la théorie et les mesures. Et pourtant, en 1 964, alors que le monde de la physique s’attelle à revoir les équations, Robert Brout, François Englert et Peter Higgs postulent, indépendamment les uns des autres, que les résultats sont justes. « En 1964, alors qu’il se promenait dans les Highlands, en Écosse, Peter Higgs imagina une façon de con férer leur masse aux particules. Il appela cela sa “véritable grande idée’’ » raconte Joanne Baker. Et même si on lui rétorque à l’envi que le réel ne peut pas se tromper, Peter Higgs pense que c’est notre compréhension du réel qui est en cause et non le réel lui même. Le scientifique postule que le lien entre matière et masse est faux. « Les particules paraissent avoir une masse parce qu’elles sont ralenties par un champ de forces, nommé depuis champ de Higgs. Le vecteur transportant la masse est le boson de Higgs, particule que le prix Nobel Léon Lederman a appelé “particule de Dieu »» poursuit la spécialiste. Et la physicienne d’ajouter un exemple concret : « Imaginez qu’on lâche une perle dans un verre : elle mettra plus de temps à tomber au fond si le verre est rempli d’eau que s’il est vide. Tout se passe comme si la perle était plus massive à travers l’eau – il faut davantage de temps pour que la gravité la tire à travers le liquide. C’est la même chose lorsqu’on marche dans l’eau : les jambes paraissent plus lourdes et le mouvement est ralenti. La perle peut être encore plus ralentie si le verre est rempli de sirop, où elle prendra un moment à toucher le fond. Le champ de Higgs agit à la façon d’un liquide visqueux. La force de Higgs ralentit les particules responsables des autres forces, leur conférant une masse. Et elle agit davantage sur les bosons W et Z que sur les photons, ce qui les fait paraître plus lourds ». C’est donc en 2012, grâce au LHC #, qu’on a pu détecter la particule qui constitue ce champ : le boson de Higgs. Dans l’univers primordial, le vide était vide. Les particules n’avaient pas de masse et elles allaient à la vitesse de la lumière. À l’issue d’une brisure spontanée de symétrie, le champ de Higgs est apparu, les particules qui étaient sans masse ont acquis une masse du fait de leur frottement avec ce champ. L’apparition de ce champ quantique est la signature du commencement, non pas du temps cosmologique, mais du temps de la matière… Aller plus loin
LE PRINCIPE ANTHROPIQUE
Pourquoi y a-t-il quelque chose plutôt que rien ? Voilà une grande question philosophique… et physique ! Vous ne vous posez évidemment pas la question en vous levant le matin, mais l’univers est véritablement réglé comme une horloge suisse à complication ! Les constantes fondamentales – vitesse de la lumière (C), constante gravitationnelle (G), constante de Planck IH) – sont « réglées » de telle façon que la vie est possible. Tout l’univers est organisé comme tel. Si l’interaction nucléaire faible (qui lie les nucléons entre eux dans le noyau atomique) était un tout petit peu plus intense, les étoiles ne vivraient pas plus d’une seconde. Il n’y aurait pas d’atomes, pas de chimie, pas de carbone, pas de biologie, pas d’hommes… La masse du neutron est légèrement supérieure à celle du proton. Si la différence avait été juste un peu plus grande, tous les neutrons se seraient transformés en protons. Sans neutron, pas d’atomes (sauf d’hydrogène), pas de carbone… et pas de vie. Si l’énergie noire était un peu plus forte ? Les galaxies se seraient démantelées. En d’autres termes, le premier qui touche au moindre réglage dans l’univers fait tout sauter ! « Dit autrement, l’Univers apparaît comme très bien réglé : les forces sont juste « comme il faut » pour que l’humanité ait pu se développer. Est-ce le fruit du hasard si nous vivons dans un univers vieux de 14 milliards d’années, où l’énergie noire et la gravitation s’équilibrent mutuellement et où les particules subatomiques ont la forme que nous leur connaissons ? » s’interroge Joanne Baker. D’où l’hypothèse présente, même chez certains physiciens, d’un créateur transcendant. Le « principe anthropique » postule qu’il n’y a rien d’étonnant, car si on sort d’une vision anthropocentrée, nous savons que le vivant est ultra marginal dans l’Univers et que si les forces de l’univers avait été différentes, nous ne serions simplement pas là pour en parler. Nous n’avons pas le recul pour penser cette question, donc nous y voyons une marque divine. La théorie du multivers permet justement de prendre de la hauteur sur cette question, car elle postule une infinité d’univers bulles, et rend probable ce qui nous paraît improbable. Avec une infinité d’univers ayant chacun des réglages différents, il est plausible qu’au moins un ait des lois permettant la vie, de la même manière qu’il y a toujours un gagnant au loto, aussi aléatoires que soient ses chances. «LE CHAMP DE HIGGS AGIT À LA FAÇON D’UN LIQUIDE VISQUEUX: LA FORCE DE HIGGS RALENTIT LES PARTICULES RESPONSABLES DES AUTRES FORCES, LEUR CONFÉRANTUNEMASSE… » saviez-vous ? Le LHC : Le Grand coltisionneur de hadrons est un accélérateur de particules mis en fonction en 2008 à la frontière entre la France et la Suisse. C’est le plus grand dispositif jamais construit pour expérimenter des théories physiques. C’est au LHC qu’en2012, a été confirmé l’existence du boson de Higgs, validant la théorie incroyable proposée par Peter Higgs et ses partenaires près de cinquante ans auparavant.