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Incroyablement, tous les objets que nous voyons autour de nous – les nuages, les voitures, les gens – forment un kaléidoscope de formes, de couleurs et de textures et sont composés d'un nombre relativement petit de blocs de construction, à peine une centaine de types d'atomes : carbone, oxygène, uranium et ainsi de suite. De plus, un atome peut être construit de seulement trois autres blocs de construction fondamentaux : les protons, les neutrons, formant le noyau atomique, et les électrons, qui enveloppent le noyau dans une étrange danse quantique. Dès le début des années 30, les physiciens connaissaient cette image de la matière, composée de protons, de neutrons et d'électrons. Cependant, les blocs de construction de la matière, actuellement appelés particules élémentaires, vont plus en profondeur. De plus, l'idée de particules élémentaires s'étend aussi aux forces. Par exemple, en essayant de comprendre comment la lumière et les autres formes de force électromagnétique interagissent avec la matière, Albert Einstein, en se basant sur le travail de Max Planck, a proposé en 1905 une remarquable hypothèse selon laquelle la lumière est une pluie de particules élémentaires qui ont ensuite été appelées photons. Cette idée que les particules élémentaires sont les blocs de construction composant toutes les structures, la matière et les forces, est l'une des plus grandes réussites de la physique du 20e siècle. L'ironie de la situation est que le plus grand défi, lié à cette idée, provient de l'une des forces les plus apparentes et communes de la nature : la gravité. Un autre mystère profond est l'origine des masses des particules élémentaires, dont l'explication pourrait être la particule de Higgs, laquelle demeure insaisissable. Ce mystère, et bien d'autres, sont les défis du 21e siècle. Une pléthore de particules |
| | Bien que l'histoire de la physique des particules soit riche et fascinante, nous ne parlerons que de quelques faits principaux. Par exemple, un type de matière qui n'est pas lié à notre expérience de tous les jours est la particule élémentaire appelée neutrino qui est en fait parmi les plus nombreuses particules de l'univers; chaque centimètre cube de l'espace en est rempli. Toutefois, les neutrinos interagissent rarement avec les autres particules et pour cette raison ne sont presque jamais perçus. Effectivement, les neutrinos, présentés la première fois dans une théorie de Wolfgang Pauli en 1930, n'ont pas été observés avant 1956, dans le cadre d'une expérience très difficile pour laquelle le prix Nobel de la physique a été décerné en 1995. D'où viennent les neutrinos? Ils peuvent venir, entre autres, des étoiles telles que le Soleil. Les réactions de fission nucléaire au cœur du Soleil produisent un torrent de neutrinos qui jaillissent dans l'espace environnant à une vitesse très proche de celle de la lumière. Ce déversement est si intense que même ici, très loin du Soleil, 50 trillions de neutrinos solaires passent à travers votre corps chaque seconde. Vous ne les sentez pas parce qu'ils interagissent si faiblement, c'est-à-dire si rarement, avec les particules faisant partie de votre corps. En fait, la plupart d'entre eux, passent directement à travers l'ensemble de la Terre comme si elle n'était pas là! « Il y a plus de choses dans le Ciel et sur la Terre, Horatio, que n'en rêve votre philosophie. » – William Shakespeare Nous savons aussi désormais que les neutrons et les protons ne sont pas des particules élémentaires après tout, mais qu'ils sont en fait composés de blocs de construction encore plus simples – des particules au comportement étrange appelées quarks qui sont présentes en six variétés, dont deux sont surnommées « haut » et « bas ». Deux quarks hauts et un quark bas forment un proton; un quark haut et deux quarks bas forment un neutron. Chacun est un triplé de particule. Pour résumer, nous avons pour l'instant les quarks et les électrons composant des atomes et le neutrino, plus précisément le neutrino de l'électron. Voir la colonne de gauche du tableau. Nous avons aussi le photon : voir la partie droite supérieure du tableau. À cela s'ajoute une autre bizarrerie : chaque type de particule dans ce tableau comporte une contrepartie d'antimatière. En 1928, Paul Dirac a brillamment combiné la théorie quantique avec la théorie de la relativité spéciale d'Einstein, ce qui lui a permis de conclure qu'il doit y exister un antiélectron, associé à l'électron. Cette particule élémentaire a d'abord été observée de manière expérimentale en 1932 et a été nommée un positron, une découverte pour laquelle le prix Nobel de 1936 a été décerné. Si un électron est placé à côté d'un positron (dont la charge électrique est opposée), ils seront attirés l'un à l'autre, comme un papillon de nuit vers une flamme, et se supprimeront réciproquement. La masse des deux particules disparaîtra, remplacée par l'énergie rayonnante pure sous la forme de deux photons, conformément à la célèbre équation E = mc2 d'Einstein. (Il est à noter que certains types de particules sont leur propre antiparticule. Par exemple, le photon et l'antiphoton.) Ce qui est encore plus bizarre, les particules élémentaires ne peuvent pas être considérées comme des particules ordinaires qui sont extrêmement petites. Par exemple, tous les quarks et les leptons du tableau sont tels que si vous faites tourner l'un d'eux à 360 degrés (un tour complet), il ne retrouvera plus le même « état ». Une rotation de 720 degrés (deux tours complets) sera nécessaire pour qu'il retrouve son état d'origine! Aussi bizarre que cela puisse sembler, ce fait a été prouvé par des expériences. |
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 Cliquer pour agrandir Le tableau périodique des particules du physicien, indiquant les quarks et les leptons qui se composent de la matière et des transporteurs de force.
| Jusqu'ici notre histoire semble simple et claire, mains cela n'est que l'effet d'une étude a posteriori. La découverte scientifique est souvent une entreprise complexe. Dans le cas de la physique des particules, l'une des sources principales de la complexité vient de la découverte que les particules ne sont pas nécessairement éternelles. Incroyablement, elles peuvent être transmutées en particules d'un autre type. Nous avons étudié ci-dessus la transmutation d'un électron et d'un positron en deux photons, mais ce phénomène est beaucoup plus général. Par exemple, si vous accélérez deux électrons presque à la vitesse de la lumière et que vous les poussez avec force l'un vers l'autre pour obtenir une collision frontale, une variété de particules qui en jaillira ne pourra plus comporter d'électrons! Les détails sont compliqués, mais l'idée de base est simple : E = mc2 (encore une fois). Dans une collision, une certaine énergie cinétique des deux électrons se déplaçant rapidement peut être transformée en masse. Vous pourriez prendre deux particules légères et rapides pour obtenir finalement cinq particules lourdes plus lentes. Depuis les années 50, des expériences comme celle-ci, effectuées à l'aide des accélérateurs de particules de haute énergie, ont produit une pléthore de nouvelles particules, appelée le « zoo des particules ». La plupart des lettres de l'alphabet grec, ainsi que beaucoup d'autres symboles, ont été utilisées pour nommer toutes les particules, et il y a eu beaucoup de confusion quant à la signification de ces découvertes! Le modèle standard On a commencé à y voir plus clair dans les années 60, au moment de l'apparition de l'idée que les quarks, dont l'existence a été prouvée dans les années 60 et 70 (bien que le dernier quark – le quark sommet (top) – n'ait été observé qu'en 1995). Les physiciens ont finalement compris que la plupart des habitants du zoo étaient simplement des entités composites qui pouvaient toutes être construites d'un ensemble relativement petit de particules élémentaires qui figurent dans les trois premières colonnes du tableau ci-dessus. Nous avons déjà discuté du contenu de la première colonne. Les deux suivantes sont essentiellement des copies absolues de la première colonne, sauf que la masse des particules y figurant est de plus en plus élevée. Personne ne sait l'expliquer. Lorsque, par exemple, le muon, le cousin le plus lourd de l'électron, a été découvert, le théoricien des particules Isidor Rabi s'est exclamé « Qui a bien pu passer une commande pour ça? » Bien qu'il y ait une structure mathématique, belle et convaincante, derrière ce tableau périodique du « physicien des particules », la cause de l'existence de ces trois « générations » de matière demeure un mystère. La dernière colonne de notre tableau périodique appelée « Porteurs de force », représente une modification importante du concept physique de la « force ». Lorsque, par exemple, vous touchez une table, vous ne la « touchez » pas en réalité. Il s'agit, en fait, d'un échange de particules, dans ce cas des photons, entre les électrons faisant partie des atomes dans les bouts de vos doigts et ceux faisant partie de la couche supérieure de la table. Plus vous vous appuyez sur la table, plus cet échange est intense, mais les électrons ne se « touchent » jamais. Imaginez deux astronautes flottant librement à l'intérieur d'une navette spatiale. S'ils s'appuient l'un contre l'autre, ils rebondissent tous les deux en directions opposées. Ils pourraient obtenir le même effet en se lançant un ballon de basket-ball. L'astronaute lançant le ballon serait projeté vers l'arrière; l'astronaute l'attrapant serait aussi projeté vers l'arrière. L'effet net est le même que s'ils s'étaient poussés l'un l'autre. Tout comme les photons sont les porteurs de la force électromagnétique, les gluons sont les porteurs de la force forte (ou la force de couleur), qui agissent entre les quarks. Ainsi, les gluons « collent » les triplets de quarks, qui se composent de protons et de neutrons. Ils empêchent aussi le noyau atomique de se désagréger en contrant la force électromagnétique de répulsion entre les protons avoisinants. Ils peuvent même se coller eux-mêmes en des « balles de colles »! Les porteurs de force W et Z sont responsables de la force faible par laquelle les neutrinos interagissent avec la matière, de manière faible. |
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Les traces de plusieurs particules émergeant de la collision frontale de seulement deux protons [détails]
© CERN
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L'image complète s'appelle le modèle standard de la physique des particules. Ce modèle est extrêmement populaire. La situation est très bien résumée par le théoricien Freeman Dyson, l'un des inventeurs du modèle standard, dans sa lettre à l'expérimentaliste Gerald Gabrielse :
Étant l'un des inventeurs, je me souviens qu'en 1949 nous pensions que le QED [la partie la mieux vérifiée du modèle standard] était une structure temporaire, mal bâtie, comportant des incohérences mathématiques et des infinités renormalisées, balayées sous le tapis. Nous ne nous attendions pas à ce qu'il dure plus de dix ans avant qu'une théorie bien construite ne vienne le remplacer... et voilà que maintenant, quelque 57 ans plus tard, cette structure délabrée tient toujours. Et, contrairement à nos espérances, vous n'avez toujours pas trouvé d'incohérence. Que la Nature continue de danser au rythme de la même pièce musicale que nous avons gribouillée de manière aussi insouciante il y a 57 ans n'arrête de m'émerveiller. Il est aussi merveilleux que vous puissiez mesurer sa danse à une partie par trillion pour constater qu'elle bat toujours la même mesure. (Lettre de F. Dyson à G. Gabrielse, 2006, reproduite avec sa permission.)
Il y a assurément quelque chose de parfaitement cohérent dans le modèle standard. Cependant, son histoire n'est pas terminée. D'abord, le modèle standard ne prédit pas tout. Compte tenu des mesures extrêmement précises, par exemple, du champ magnétique de l'électron (en plus d'avoir une charge électrique, un électron se comporte aussi comme un petit aimant droit en rotation sur lui-même), le modèle standard fera une prédiction tout aussi précise de la charge de l'électron. De telles prédictions, à leur tour, concordent étonnamment bien avec les autres mesures, ce qui « n'arrête d'émerveiller » Dyson. Pourtant, le modèle standard contient au moins 18 paramètres (masses des particules et puissances des forces) qui ne peuvent être déterminés que de manière expérimentale. C'est pour cette raison que le modèle standard ne peut pas être une théorie de la nature complète et indépendante. Que nous manque-t-il? Dans le modèle standard, les particules telles que l'électron et les quarks sont intrinsèquement sans masse. Pour qu'ils aient une masse (ce qui est clairement le cas), le modèle standard introduit une particule supplémentaire, appelée la particule de Higgs. En termes généraux, l'idée est que tout l'espace est rempli d'un « fluide quantique », appelé le champ de Higgs. La particule de Higgs est au champ de Higgs ce que le photon est au champ électromagnétique. Comme si elles se déplaçaient dans de la mélasse, les particules acquièrent de la masse en interagissant avec ce fluide. |
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 Cliquer pour agrandir À l'intérieur du tunnel de l'accélérateur de particules au grand collisionneur hadronique du CERN.
© CERN
| La particule de Higgs n'a pas encore été directement détectée. Nous croyons qu'elle est une particule très lourde et pour cette raison un accélérateur de particules de très haute énergie sera nécessaire pour la créer et en confirmer l'existence (souvenez-vous de E = mc2). Il y a beaucoup d'enthousiasme et d'espoir au sujet du nouvel accélérateur de particules au grand collisionneur hadronique du laboratoire de particules européen, CERN, qui permettra peut-être pour la première fois d'observer directement l'insaisissable particule de Higgs. Si son existence est confirmée, cela nous amènerait encore plus près de la théorie de grande unification, où les trois forces fondamentales de notre tableau périodique ci-dessus (qui ne tient pas compte de la quatrième force, la gravité) ne seraient que des aspects différents d'une force unique et unie, de même que les forces électriques et magnétiques ne sont que des aspects différents de la force électromagnétique simple. Nous pourrions aussi découvrir la preuve de la « supersymétrie » qui suggère que pour chaque particule de notre tableau périodique il existe une particule « super partenaire » jusqu'ici non détectée, un ingrédient crucial de la théorie des supercordes. Ces questions sont d'un grand intérêt pour la cosmologie. Nous devons y trouver une réponse si nous voulons comprendre la nature de l'univers primordial, lequel comporte la physique extrême impliquant des énergies et des densités particulièrement élevées. Effectivement, nous pourrions être en mesure d'inverser les rôles, en utilisant le cosmos primordial comme laboratoire, afin de déduire à partir des observations astronomiques s'il existe une nouvelle réalité physique au-delà du modèle standard. Ce lien profond entre l'étude de l'univers dans le grand (le cosmos) et le petit (les particules élémentaires) est un terrain extrêmement fertile d'où pourraient provenir de nouvelles découvertes. En fait, ce lien a déjà donné lieu à un nouveau développement important : les observations cosmologiques indiquent qu'une grande partie de l'univers est composée de ce qui est appelé la « matière noire ». Les physiciens étudient actuellement si cela signifie l'existence des nouvelles particules en dehors du cadre conceptuel du modèle standard. Comme nous l'avons montré ci-dessus, la structure même du modèle standard n'est pas évidente. Pourquoi présume-t-elle trois générations de matière, et non pas une ou dix-sept? Pourquoi pas d'autres forces en plus des forces électromagnétiques, faibles et fortes (et la gravité)? Pourquoi l'électron a-t-il la masse qu'il a? En bref, pourquoi le monde est-il comme il est? Nous espérons pouvoir trouver des réponses à ces questions en découvrant une formule mathématique de physique qui englobe tout au-delà du modèle standard, telle que la théorie des supercordes. Enfin, vous pourriez vous demander pourquoi une interaction particulière, la force gravitationnelle, n'a pas été discutée. En fait, la gravité ne s'accorde pas très bien avec le cadre conceptuel mathématique du modèle standard. Contrairement au photon de l'électromagnétisme, l'idée d'un « graviton » est valable uniquement si la gravité est si faible que l'on peut l'ignorer complètement. Contrairement au photon de l'électromagnétisme, l'idée d'un « graviton » ne s'accorde tout simplement pas avec le modèle standard. Les physiciens n'ont toujours pas trouvé de théorie pour la gravité quantique – et c'est peut-être le problème le plus important de la physique théorique. Pour en apprendre davantage sur l'étude de la physique des particules à l'Institut Perimeter et ses chercheurs, veuillez cliquer ici. |
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Le détecteur ATLAS en construction au grand collisionneur hadronique [détails]
© CERN.
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