Un étonnant modèle standard (partie 1)

Le modèle dont il est question ici n’a rien à voir avec l’habillement ou les voitures… ou alors vraiment dans leur plus stricte intimité. Il s’agit du « modèle standard de la physique des particules ».
Ce qui suit, s’inscrit donc comme la suite de la série d’articles sur la matière : Le joli tableau de Mendeleïev, que je vous invite (avec l’insistance d’un gluon) à découvrir, si ce n’est pas déjà fait.
Parce que, maintenant, il va falloir s’accrocher un peu.

Préambule

A ce jour, je n’ai pas encore eu le cran de me lancer dans un papier d’initiation à la physique quantique. Ca viendra… Il me faut le temps de trouver les bonnes portes, les bons chemins pour vous mener dans cet univers que vous aurez peine à imaginer. C’est pourtant à l’un des pans de cette physique que nous devons ce modèle standard : la théorie quantique des champs. C’est méga-génial-super-fun… mais, pour l’instant, on va laisser ça de côté.

C’est pourquoi nous parlerons ici de « particules », à savoir des petits grains de quelque chose. D’ailleurs tout le monde fait comme ça. Sachez toutefois (et oubliez-le pour la suite) que ces particules… n’en sont pas. Ce sont des objets quantiques… et je m’arrête là (non, n’insistez pas, et ce qu’il y a ci-dessous, c’est juste pour faire joli).

Présentation

Le modèle standard, élaboré dans la seconde partie du XX^ème siècle, est une tentative de description de toutes les particules élémentaires ainsi que de leurs interactions. En gros, cela doit expliquer comment « TOUT » marche « COMME ÇA » dans l’univers. Malgré sa dénomination qui a l’air d’être tout droit sortie d’une administration post-stalinienne, le « modèle standard », c’est donc énorme !

Et pour une tentative, le résultat est impressionnant… Jamais une théorie physique n’aura connu autant de succès, le dernier couronnement en date concernant l’une de ses nombreuses prédictions avérées : le boson de Higgs.

Toutefois, derrière le concert d’éloges que mérite amplement ce modèle standard, les physiciens continuent de s’interroger et, pour beaucoup, de broyer du noir. Nous verrons pourquoi à la fin de cet article.

Deux familles de particules

Ce qui caractérise les différentes particules tient en quelques paramètres.

Une partie de ces paramètres concerne ce que l’on nomme des variables d’état car elles déterminent l’état d’une particule individuelle et non sa nature. Il peut s’agir par exemple de sa position, de sa vitesse, ou encore son énergie. Ce n’est pas ce qui fait d’elle tel ou tel type de particules.

Ce sont les autres paramètres qui vont nous intéresser : des propriétés qui déterminent l’appartenance d’une particule à un type de particules. Ce peut être sa masse ou sa charge électrique, par exemple, ou son… spin. Une charge électrique, on voit à peu près ce que c’est… mais le spin ?
Je ne vais pas commencer à vous parler de moment cinétique d’un point. D’abord parce que vous n’y comprendrez rien, ensuite parce que ça ne veut rien dire, et enfin parce que la vérité c’est qu’il n’existe aucune façon de décrire cette propriété nommée spin avec nos mots, avec nos sens (cela vous donne un avant-goût de la physique quantique).
Sachez toutefois que ce spin ne peut avoir qu’une valeur entière (0, 1, 2…) ou demi-entière (1/2, 3/2, 5/2…). Par exemple, tous les électrons ont un spin égal à 1/2, tous les photons (corpuscules de lumière) ont un spin égal à 1.

Si je vous parle du spin, c’est qu’il va grandement influer sur le comportement de chaque type de particules. En fait ces particules vont se diviser en deux grandes familles, selon qu’elles ont un spin demi-entier ou entier. D’un côté, les fermions, de l’autre, les bosons.

Les fermions

Les fermions sont des particules ayant un spin demi-entier. Elles tiennent leur nom du physicien italien Enrico Fermi qui, avec l’Anglais Paul Dirac, a décrit leur comportement.

Pour faire simple, les particules qui constituent ce que nous appelons communément la matière, sont des fermions. Leur principale caractéristique est de satisfaire au principe d’exclusion de Pauli (du physicien autrichien du même nom). Ce principe empêche un fermion d’occuper la même case quantique qu’un autre (on dit le même « état quantique »). En gros, c’est ce qui fait que les atomes existent, et que vous ne pouvez pas traverser les murs.

Les bosons

Les bosons sont des particules ayant un spin entier. Elles tiennent leur nom du physicien indien Satyendranath Bose qui a décrit le comportement de l’un d’eux, le photon, avant que cet aspect soit généralisé par Albert Einstein.

Contrairement aux fermions, un nombre quelconque de bosons peut occuper le même état quantique. Et ça change tout… Vous voyez la différence entre un tas de sable et le rayon de lumière qui l’éclaire ? Si oui, c’est que vous commencez à comprendre la différence entre un fermion et un boson.

Petite remarque que vous n’êtes pas obligés de lire : plusieurs fermions peuvent composer un élément plus « gros ». Cet élément composite aura lui aussi un spin. Généralement, ce spin lui conférera le statut de fermion. Dans certains cas, il fera de ce composé de fermions, un boson (avec donc des propriétés étonnantes pour de la matière : superfluidité, supraconductivité, condensat de Bose-Einstein).
En toute intégrité, je devrais donc parler de « fermions et de bosons élémentaires » et de « fermions et de bosons composites ». Dans cet article, par souci de simplification, les fermions et les bosons dont il est question, sont les particules élémentaires (pas les composites).

Interactions

Avant d’aller plus loin dans la description des différentes particules élémentaires du modèle standard, intéressons-nous à la manière dont elles interagissent ensemble, à savoir… les quatre forces fondamentales existant dans l’univers.

Oui, vous-même et tout ce qui vous entoure, y compris les galaxies et les moelleux au chocolat de maman, ainsi que tous les événements qui se passent au cœur des étoiles, au fond de votre four ou dans votre corps, y compris l’élan amoureux, seraient décrits, au niveau le plus fondamental, par… une poignée de particules élémentaires et quatre forces agissant sur elles.

Ces quatre forces sont…

La gravitation

Une force attirant les particules ayant une masse, une force de portée infinie mais diminuant avec le carré de la distance (si la distance entre deux particules est multipliée par deux, l’intensité de la force agissant sur eux est divisée par quatre). Contrairement à ce que vous pourriez croire, cette force est, par rapport aux trois autres, colossalement faible (elle est tellement négligeable que l’on n’en tient même pas compte dans les expériences menées dans les accélérateurs de particules). Mais elle a pour elle de n’agir que dans un sens. Il n’y pas de sens « – », d’anti-gravitation si ce n’est dans les romans de science-fiction. Vous ne pouvez pas bâtir une barrière, un mur qui empêcherait la gravitation d’agir. Son effet peut donc se cumuler sans rien pour s’y opposer.

La force électromagnétique

Elle agit entre deux particules possédant une charge électrique « + » ou « – »). Elle les repoussent si elles sont de même signe. Elles les attirent si elles sont de signes opposés. La force électromagnétique est également de portée infinie, son intensité diminuant, elle aussi, avec le carré de la distance. Elle est 10³⁷ (1 suivi de 37 zéros !) fois plus forte que la gravitation. Mais l’existence de charges opposées modère cette force à notre échelle.

La force nucléaire forte

Elle n’agit que sur les quarks et les gluons, des choses que nous allons étudier dans la seconde partie, et qui possèdent des charges dites de « couleur ».
Elle est, comme son nom l’indique, la plus forte des interactions fondamentales : environ cent fois plus forte que la force électromagnétique, un million de fois plus que l’interaction faible (ci-dessous), et 10³⁹ fois plus que la gravitation !
Aussi puissante soit-elle, la force nucléaire forte n’a qu’une portée très faible : 0,0…15 zéros…0 mètres, soit la taille d’un noyau atomique. Ce qui n’est pas un hasard puisqu’elle est responsable de la cohésion des noyaux atomiques.
Ici pas de charges « + » ou « – » comme pour la force électromagnétique mais un système complexe de trois charges associées à trois anti-charges. Des charges que l’on a baptisées « couleurs » (bleu, rouge, vert, et jaune, cyan, magenta), le principe étant que l’ensemble de quarks ainsi réunis par cette force, soit de couleur blanche. Exemples : quark bleu + quark rouge + quark vert (proton ou neutron) ou quark bleu + antiquark jaune (méson). C’est un domaine que l’on appelle la chromodynamique quantique… et je vais peut-être déjà un peu trop loin, là.

Je précise quand même que tout ceci n’a bien sûr rien à voir avec nos couleurs, c’est une simple analogie qui permet de rendre compte du fonctionnement de ces charges dites de couleurs.

La force nucléaire faible

Elle agit sur tous les fermions connus. Elle est associée à une charge nommée « isospin faible ».
Si l’on excepte la gravitation (dont l’intensité, comparée aux autres, est ridicule), la force nucléaire faible est, comme son nom l’indique, la plus faible des trois autres forces. Et sa portée est cent fois plus petite que celle de la force forte (qui n’était déjà pas très grande) !
Contrairement aux autres forces, elle n’a aucun effet de liaison entre particules. On peut dire qu’elle agit dans l’ombre pour modifier les charges des particules. En cela, elle est responsable de désintégrations nucléaires (radioactivité, fission). Elle intervient aussi dans le mécanisme de fusion nucléaire.

Ce qu’en dit le modèle standard

Selon le modèle standard, chacune de ces forces, bien mystérieuses en soi, ne sont que le reflet d’échanges continuels de particules par d’autres particules.

Quelle image pourrait-on donner de cela ? Imaginez-vous sur une barque au milieu d’un lac. Imaginez aussi qu’un ami, sur une autre barque, se dirige vers vous. Vous voulez éviter la collision mais vous avez perdu vos rames, et vous n’avez pas envie de vous mouiller les bras. Heureusement, vous disposez d’un ballon. Vous allez le lancer à votre ami. Celui-ci va vous le renvoyer. Et ainsi de suite. Par effet de réaction, vos deux barques vont finir par s’éloigner l’une de l’autre.
Ce que l’on vient de décrire, c’est un peu ce qui se passe lorsque la force électromagnétique exerce une répulsion entre deux électrons. Chacun de ces électrons (barques) échange continuellement un photon (ballon) avec l’autre. Ce qui les éloigne.
Bon, j’avoue, l’image n’est pas vraiment parfaite, et surtout elle ne fonctionne qu’avec l’aspect répulsif d’une force, et non son aspect attractif… Mais je n’ai vraiment pas mieux à vous offrir (surtout si l’on s’oblige à parler de particules).

Les particules médiatrices de ces forces (les ballons) sont certains bosons, appelés « bosons de jauge ». Et dans ce cas, ces bosons de jauge sont généralement à l’état de particules virtuelles issues de… fluctuations du vide. Euh oui… plus tard.

Que ce soit clair : tout cela n’est pas sorti uniquement de l’imagination débridée de physiciens ébouriffés et/ou trop alcoolisés. Que ce soit la détermination de ces forces, leur description et leur mode d’action, il s’agit d’implications théoriques et observationnelles, et d’intuitions basées sur des principes de symétrie des propriétés et des équations issues de la physique quantique.
Et vous savez quoi ? Chaque fois qu’un de ces types bizarres a noirci une page de calculs pour finir par dire : « Si le modèle standard a raison, alors là, si on cherche, on devrait trouver ça », on a cherché, et on a trouvé « ça ». A chaque fois…. Jusqu’au bout… Jusqu’au boson de Higgs.

Ce « ça », c’est donc ce que l’on va étudier maintenant…