On prétend souvent que les Anciens Grecs ont été les premiers à identifier des objets qui n’ont pas de taille, mais qui sont capables de construire le monde qui nous entoure grâce à leurs interactions. Et comme nous sommes capables d’observer le monde de plus en plus en détail à travers des microscopes de puissance croissante, il est naturel de se demander de quoi sont faits ces objets.
Nous pensons avoir trouvé certains de ces objets: des particules subatomiques, ou des particules fondamentales, qui n’ayant aucune taille ne peuvent avoir aucune sous-structure. Nous cherchons maintenant à expliquer les propriétés de ces particules et à montrer comment elles peuvent être utilisées pour expliquer le contenu de l’univers.
Il existe deux types de particules fondamentales : les particules de matière, dont certaines se combinent pour produire le monde qui nous entoure, et les particules de force – dont l’une, le photon, est responsable du rayonnement électromagnétique. Ceux-ci sont classés dans le modèle standard de la physique des particules, qui théorise la façon dont les blocs constitutifs de base de la matière interagissent, régis par des forces fondamentales. Les particules de matière sont des fermions tandis que les particules de force sont des bosons.
Particules de matière: quarks et leptons
Les particules de matière sont divisées en deux groupes: quarks et leptons – il y en a six, chacun avec un partenaire correspondant.
Les leptons sont divisés en trois paires. Chaque paire a une particule élémentaire avec une charge et une sans charge – une particule beaucoup plus légère et extrêmement difficile à détecter. La plus légère de ces paires est l’électron et l’électron-neutrino.
L’électron chargé est responsable des courants électriques. Son partenaire non chargé, connu sous le nom d’électron-neutrino, est produit abondamment au soleil et ceux-ci interagissent si faiblement avec leur environnement qu’ils passent sans entrave à travers la Terre. Un million d’entre eux traversent chaque centimètre carré de votre corps chaque seconde, jour et nuit.
Les neutrinos électroniques sont produits en nombre inimaginable lors des explosions de supernova et ce sont ces particules qui dispersent les éléments produits par la combustion nucléaire dans l’univers. Ces éléments comprennent le carbone à partir duquel nous sommes fabriqués, l’oxygène que nous respirons et presque tout le reste sur terre. Par conséquent, malgré la réticence des neutrinos à interagir avec d’autres particules fondamentales, ils sont vitaux pour notre existence. Les deux autres paires de neutrinos (appelées neutrino muonique et muonique, neutrino tau et neutrino tau) semblent n’être que des versions plus lourdes de l’électron.
Comme la matière normale ne contient pas ces particules, il peut sembler qu’elles constituent une complication inutile. Cependant, pendant la première à dix secondes de l’univers qui a suivi le Big Bang, ils ont eu un rôle crucial à jouer dans l’établissement de la structure de l’univers dans lequel nous vivons – connue sous le nom d’époque des Leptons.
Les six quarks sont également divisés en trois paires avec des noms fantaisistes: « haut » avec « bas », ”charme » avec ”étrange » et ”haut » avec ”bas » (précédemment appelé ”vérité » et ”beauté » bien que malheureusement changé). Les quarks haut et bas se collent ensemble pour former les protons et les neutrons qui se trouvent au cœur de chaque atome. Encore une fois, seule la paire de quarks la plus légère se trouve dans la matière normale, les paires charme / étrange et haut / bas ne semblent jouer aucun rôle dans l’univers tel qu’il existe maintenant, mais, comme les leptons plus lourds, ont joué un rôle dans les premiers moments de l’univers et ont contribué à en créer un qui se prête à notre existence.
Particules de force
Il existe six particules de force dans le modèle standard, qui créent les interactions entre les particules de matière. Ils sont divisés en quatre forces fondamentales: les forces gravitationnelles, électromagnétiques, fortes et faibles.
Un photon est une particule de lumière et est responsable des champs électriques et magnétiques, créés par l’échange de photons d’un objet chargé à un autre.
Le gluon produit la force responsable du maintien des quarks ensemble pour former des protons et des neutrons, et du maintien de ces protons et neutrons ensemble pour former des noyaux plus lourds.
Trois particules nommées « W plus”, « W moins” et « Z zéro” – appelées bosons vectoriels intermédiaires – sont responsables du processus de désintégration radioactive et des processus au soleil qui le font briller. Une sixième particule de force, le graviton, serait responsable de la gravitation, mais n’a pas encore été observée.
Anti-matière: la réalité de la science-fiction
Nous connaissons également l’existence de l’anti-matière. C’est un concept très apprécié des écrivains de science-fiction, mais il existe vraiment. Des particules anti-matière ont été fréquemment observées. Par exemple, le positron (l’anti-particule de l’électron) est utilisé en médecine pour cartographier nos organes internes à l’aide de la tomographie par émission de positons (TEP). Lorsqu’une particule rencontre son anti-particule, elles s’annihilent toutes les deux et une explosion d’énergie est produite. Un scanner PET est utilisé pour détecter cela.
Chacune des particules de matière ci-dessus a une particule partenaire qui a la même masse, mais une charge électrique opposée, de sorte que nous pouvons doubler le nombre de particules de matière (six quarks et six leptons) pour arriver à un nombre final de 24.
On donne aux quarks de matière un nombre de +1 et aux quarks d’anti-matière une valeur de -1. Si nous additionnons le nombre de quarks de matière plus le nombre de quarks d’anti-matière, nous obtenons le nombre net de quarks dans l’univers, cela ne varie jamais. Si nous avons assez d’énergie, nous pouvons créer n’importe lequel des quarks de matière tant que nous créons un quark anti-matière en même temps. Dans les premiers moments de l’univers, ces particules étaient créées en continu – maintenant elles ne sont créées que dans les collisions des rayons cosmiques avec l’atmosphère des planètes et des étoiles.
Le fameux boson de Higgs
Il y a une particule finale qui complète l’appel nominal des particules dans ce qu’on appelle le modèle standard de la physique des particules jusqu’à présent décrit. C’est le Higgs, prédit par Peter Higgs il y a 50 ans, et dont la découverte au CERN en 2012 a valu un prix Nobel à Higgs et François Englert.
Le boson de Higgs est une particule étrange : c’est la deuxième plus lourde des particules du modèle standard et il résiste à une explication simple. On dit souvent que c’est l’origine de la masse, ce qui est vrai, mais trompeur. Il donne de la masse aux quarks, et les quarks constituent les protons et les neutrons, mais seulement 2% de la masse des protons et des neutrons est fournie par les quarks, et le reste provient de l’énergie dans les gluons.
À ce stade, nous avons pris en compte toutes les particules requises par le modèle standard: six particules de force, 24 particules de matière et une particule de Higgs – un total de 31 particules fondamentales. Malgré ce que nous savons d’elles, leurs propriétés n’ont pas été assez bien mesurées pour nous permettre de dire définitivement que ces particules sont tout ce qui est nécessaire pour construire l’univers que nous voyons autour de nous, et nous n’avons certainement pas toutes les réponses. Le prochain cycle du Grand collisionneur de hadrons nous permettra d’affiner nos mesures de certaines de ces propriétés – mais il y a autre chose.
Pourtant, la théorie est toujours fausse
La belle théorie, le modèle standard, a été testée et re-testée sur deux décennies et plus; et nous n’avons pas encore fait de mesure qui soit en contradiction avec nos prédictions. Mais nous savons que le modèle standard doit être erroné. Lorsque nous entrons en collision deux particules fondamentales ensemble, un certain nombre de résultats sont possibles. Notre théorie nous permet de calculer la probabilité qu’un résultat particulier puisse se produire, mais aux énergies au–delà desquelles nous avons jusqu’à présent atteint, elle prédit que certains de ces résultats se produisent avec une probabilité supérieure à 100% – clairement un non-sens.
Les physiciens théoriciens ont consacré beaucoup d’efforts à essayer de construire une théorie qui donne des réponses sensées à toutes les énergies, tout en donnant la même réponse que le modèle standard dans toutes les circonstances dans lesquelles le modèle standard a été testé.
La modification la plus courante implique qu’il existe des particules non découvertes très lourdes. Le fait qu’ils soient lourds signifie que beaucoup d’énergie sera nécessaire pour les produire. Les propriétés de ces particules supplémentaires peuvent être choisies pour s’assurer que la théorie résultante donne des réponses sensées à toutes les énergies, mais elles n’ont aucun effet sur les mesures qui s’accordent si bien avec le modèle standard.
Le nombre de ces particules non découvertes et encore invisibles dépend de la théorie que vous choisissez de croire. La classe la plus populaire de ces théories sont appelées théories supersymétriques et elles impliquent que toutes les particules que nous avons vues ont une contrepartie beaucoup plus lourde. Cependant, si elles sont trop lourdes, des problèmes se poseront aux énergies que nous pouvons produire avant que ces particules ne soient trouvées. Mais les énergies qui seront atteintes lors du prochain cycle du LHC sont suffisamment élevées pour qu’une absence de nouvelles particules porte un coup à toutes les théories supersymétriques.