Un étonnant modèle standard (partie 2)

Après avoir dessiné les contours de la scène, le cadre du Modèle standard, il est temps à présent de lever le rideau sur les acteurs. Voici enfin quelles sont les particules élémentaires de l’Univers selon cette théorie… et selon les observations.

Fermions

Les fermions élémentaires (les grains de matière pour faire simple) sont au nombre de douze : 6 quarks (soumis à l’interaction forte) et 6 leptons (qui n’y sont pas soumis).

Ces douze particules peuvent aussi se répartir en trois familles de quatre éléments (2 quarks et 2 leptons par famille). Ces familles sont appelées générations. Seule la première génération correspond à ce que nous appelons vraiment la matière. La seconde génération est constituée de particules beaucoup plus lourdes et dont la durée de vie est extrêmement limitée (elles se désintègrent en formant des éléments de première génération). Et pour la troisième génération, c’est pire.
Petite exception à cela : les neutrinos (voir ci-dessous) qui, dans la nature, existent indifféremment sous les trois formes générationnelles (en fait, ils passent leur temps à se transformer d’une forme à l’autre : on dit qu’ils changent de saveur).
La théorie et les expérimentations tendent à démontrer qu’il ne peut exister de quatrième génération.

Quarks

Soumis à l’interaction forte, chacun de ces quarks possède une charge de couleur (rouge, verte ou bleue) dont ils changent régulièrement. Ils sont également soumis aux trois autres interactions (ils ont une masse, une charge électrique et un isospin).

• La première génération compte les quarks Up (charge électrique : +2/3) et Down (-1/3). Ce sont les constituants des protons (2 Up + 1 Down) et des neutrons (1 Up + 2 Down).
• La seconde génération compte les quarks Charm (+2/3) et Strange (-1/3).
• La troisième génération compte les quarks Top (+2/3) et Bottom (-1/3) qui, durant un certain temps, furent nommés Truth et Beauty.

Remarque : on note souvent les quarks par la première lettre de leur nom : u, d, c, s, t et b.

Le quark Top est à peu près cent mille fois plus massif que le quark Up mais sa durée de vie ne devrait pas excéder 10^-25 s, un temps si court qu’il ne lui donne pas la possibilité de s’associer à d’autres particules.

Ci-dessus, une représentation sphérique de chaque quark en fonction de leur masse respective. En bas à gauche, sont représentés à la même échelle, deux éléments que nous verrons plus bas : un proton (gris) et un électron (point rouge). Crédit : Incnis Mrsi.

Leptons

Les six leptons sont l’Électron et ses deux compères plus lourds : le Muon et le Tau, chacun étant accompagné d’un Neutrino correspondant :

• Première génération : électron et neutrino électronique.
• Deuxième génération : muon (200 fois plus lourd que l’électron) et neutrino muonique.
• Troisième génération : tau (3500 fois plus lourd que l’électron) et neutrino tauique.

L’électron et ses versions plus lourdes (muon et tau) ont tous une charge électrique égale à -1, un isospin et une masse (généralement bien plus faible que les quarks de même génération).

Les neutrinos n’ont, eux, qu’un isospin et une masse. Et encore, cette masse est si petite qu’elle ne peut être détectée (mais elle est obligatoire pour expliquer le fait qu’ils sautent constamment de génération en génération).
Bref, ils ne sont réellement sensibles qu’à l’interaction faible (de portée extrêmement limitée) et constituent donc de véritables fantômes : chaque cm² de votre peau est, à chaque seconde, traversée par 65 milliards de neutrinos dans l’indifférence générale. Ils proviennent essentiellement du Soleil (même en pleine nuit puisqu’ils traversent la Terre tout aussi aisément). Vous-même, par radioactivité, en produisez 7000 par seconde dans votre corps.
Le neutrino constitue – et de loin – la particule de matière la plus abondante dans l’univers.

A noter que l’on utilise le terme de saveur pour distinguer ces douze fermions : 6 saveurs de quarks, trois saveurs d’électrons liées aux trois saveurs de neutrinos.

Bosons

Bosons de jauge

Le premier boson à entrer dans la grande danse quantique n’est autre que le photon, la particule associée à la lumière. C’est également un boson de jauge, c’est à dire impliqué dans l’une des quatre interactions fondamentales : la force électromagnétique (voir ci-dessous un schéma d’interaction d’un photon entre un électron et un positon). Ne possédant aucune masse, le photon se déplace, quel que soit l’observateur, à la plus grande vitesse possible : « c », également nommée… « vitesse de la lumière ». Bon, ceci concerne un certain Albert, et nous verrons cela une autre fois. Notons toutefois que c’est cette absence de masse qui permet à la force électromagnétique d’avoir une portée infinie.

En toute logique, les physiciens ont recherché les bosons responsables des autres forces, s’aidant des caractéristiques de celles-ci pour déduire les propriétés attendues de ces bosons. Une autre quête les a mis sur leur piste : l’unification des forces. On ne développera pas car ce n’est pas tout à fait le sujet… mais, en gros, on a compris que, dans les tout premiers temps de l’univers, lorsque celui-ci atteignait un certain niveau (énormissime) de température et de densité, les interactions fondamentales étaient susceptibles, les unes après les autres, de se confondre. C’est ainsi que l’on a pu réunir deux forces aussi dissemblables que l’électromagnétisme et l’interaction nucléaire faible. Il fut un temps où elles n’en faisaient qu’une : la force électro-faible. Il existe des théories de « grande unification » qui prévoient, à des niveaux d’énergie encore plus grands, l’unification de cette force électro-faible avec l’interaction nucléaire forte mais cela reste encore sujet à débats. D’autres encore plus spéculatives, nommées « théories du tout », imaginent l’unification ultime de toutes ces forces avec la gravitation.

Bref, de tout cela, on a déduit que l’interaction nucléaire faible ne pouvait s’expliquer que si trois bosons – vecteurs de cette force – existaient. Trois bosons que l’on a nommés « W⁺ », « W^– » et « Z⁰ », et qui devaient posséder une masse assez importante. Et même, pour les deux premiers, une charge électrique…
Et, comme prévus, on les a trouvés (avec plein de prix Nobel à la clé) !

Puis est intervenue la chromodynamique quantique qui, avec les mêmes succès expérimentaux et les mêmes récompenses, a permis de rendre compte de l’interaction nucléaire forte, avec des quarks et des bosons associées à cette force. Ces bosons ont été nommés gluons (pour la raison que vous imaginez). Il en existe huit formes possible, dépendant de leurs charges de couleur car, chose curieuse, ces gluons possèdent eux-mêmes des charges de couleur (une charge de quark combinée à une charge d’anti-quark), ce qui fait qu’ils peuvent interagir entre eux, rendant très complexes les calculs mis en œuvre.

Hep ! Et la gravitation dans tout ça ? Malheureusement, l’incompatibilité entre la physique quantique et la relativité générale qui décrit cette force, vient ici mettre un frein aux ambitions du Modèle standard. On ne peut qu’imaginer qu’un boson de masse nulle et de spin égal à 2, nommé graviton, puisse exister. Mais honnêtement, c’est encore le grand flou. En outre, nous n’avons aucun moyen technique permettant de détecter ce graviton, même s’il est envisageable de détecter son pendant ondulatoire, déformant l’espace-temps (ondes gravitationnelles).
Cette incompatibilité entre les deux piliers de la physique moderne est un véritable mur devant notre compréhension du monde, et pas uniquement pour le Modèle standard. C’est pourquoi son éventuelle résolution demeure le Graal des physiciens.

Boson de Higgs

A t-on fait le tour ? Pas tout à fait… On s’est en effet vite rendu compte que la masse attribuée aux bosons W⁺, W^– et Z⁰ (permettant d’expliquer la très petite portée de l’interaction faible) posait un gros problème aux équations du Modèle standard. Car, si ces équations avaient raison (c’est plus une question de symétrie, mais bon), alors ces particules ne pouvaient avoir de masse. Et pour tout dire, tout devenait plus simple et intelligible si… aucune particule n’avait de masse.
Et pourtant, me direz-vous, avant l’été, vous ne faites pas un régime alimentaire pour des prunes !?

Donc, soit le Modèle standard était enfin pris à défaut, soit quelque chose se dissimulait devant notre nez… et ce « quelque chose » fut déniché par deux théoriciens belges, Brout et Englert puis, indépendamment d’eux, par un de leur collègue britannique, Higgs (la postérité ne conservera, bien injustement, que ce dernier nom). Tous trois prirent le pari de croire dans le Modèle standard, et donc d’admettre l’inadmissible : toutes les particules dont nous venons de parler, ne possèdent pas de masse. Pour nos trois compères, cette masse que l’on prend pour une propriété intrinsèque de ces particules, n’est en fait que la manifestation d’une interaction de ces particules avec un boson inconnu. Et, gâteau sur la cerise (car c’était là le premier objet de leur recherche), ce mécanisme permet en outre d’expliquer la brisure de symétrie ayant amené la force électro-faible à se scinder en deux interactions.

Ce boson dont ils déterminèrent les principales caractéristiques (et notamment un spin égal à 0, et non 1 comme les autres), allait vite être nommé le boson de Higgs. Précisons que ce boson de Higgs – qui explique l’origine de la masse des particules – n’a rien à voir avec le graviton qui expliquerait, lui, l’interaction entre ces particules, c’est à dire la gravitation.

Soyons clairs : c’est tout l’échafaudage du Modèle standard qui reposait dès lors sur l’existence ou non de ce boson bien théorique.

Il aura fallu attendre 48 ans pour que, le 12 juillet 2012, le CERN (conseil européen pour la recherche nucléaire) annonce, avec une probabilité de 99,99997%, que le LHC (le plus puissant accélérateur de particules jamais construit) avait détecté… le boson de Higgs !
L’image ci-dessus (crédit : Wikimedia Commons, Lucas Taylor) est la reconstitution de l’un des nombreux événements ayant fourni ce résultat.
Champagne et prix Nobel : le Modèle standard venait de remporter son ultime triomphe !

Résumé

Voici un tableau récapitulant les différentes particules élémentaires que nous venons de décrire (vous pouvez cliquer pour agrandir | crédit : Wikimedia Commons, Dopplerlover)…

Antimatière

Pour dire vrai, le tableau du Modèle standard est plus complet que ça. Vous pouvez en effet presque doubler le nombre des particules puisqu’à chacune d’entre elles, on peut associer une anti-particule aux caractéristiques identiques mais avec des charges opposées.

Exemple : un « quark Up » dont la charge électrique est « +2/3 » et dont la charge de couleur peut être « bleu », aura pour antiparticule un « antiquark Up » de charge électrique « -2/3 » et de couleur « jaune » (couleur complémentaire du bleu). D’autres paramètres sont également en jeu mais passons.
Un petit mot aussi sur le positon (positron en anglais) que nous avons déjà rencontré, et qui est l’anti-particule de l’électron : un électron avec une charge électrique positive.

Je dis « presque doubler le nombre de particules » car certaines d’entre elles sont leur propre anti-particule : c’est le cas du photon, du gluon et peut-être du neutrino (la question fait encore l’objet de débats), ainsi que de l’hypothétique graviton.

On détaillera un peu mieux tout ça dans un article qui sera consacré à l’antimatière.

Particules composites

Tant qu’on y est, décrivons rapidement les particules composites que peuvent créer ces particules élémentaires. Il s’agit essentiellement de hadrons, c’est à dire des ensembles de particules régis par l’interaction forte.

Les plus connus des hadrons sont les baryons, composés de trois quarks (ou trois anti-quarks) de trois « couleurs » différentes (donnant du « blanc »). Les principaux membres de cette famille sont les nucléons (formant les noyaux des atomes), c’est à dire les neutrons (u+d+d) et les protons (u+u+d, voir le schéma ci-dessous – crédit : Wikimedia Commons, Arpad Horvath)

A noter que c’est un effet dérivé de l’interaction forte (à l’origine de ces nucléons) qui est également responsable de la cohésion de ces mêmes nucléons au sein du noyau atomique.
Et donc, comme vous le savez, ces nucléons vont, avec les électrons et grâce à la force électromagnétique, former des atomes qui, eux-mêmes, vont former des molécules, des cristaux, etc.

Les mésons forment la seconde famille de hadrons. Ils sont composés d’une paire quark-antiquark (avec deux couleurs complémentaires donnant du blanc). Contrairement aux baryons qui sont des fermions, les mésons ont un spin entier, et sont donc des bosons. Ils sont tous instables, avec une vie très courte. Les mésons les plus courants sont les pions (u+anti-d ou d+anti-u ou superposition des deux) et les kaons (u ou d + anti-s ou l’inverse ou superposition des deux).
Il semble qu’il puisse exister également des mésons tetraquarks (formés de quatre quarks) ou des boules de glu (aucun quark, que des gluons).

A des niveaux d’énergie dantesque, il peut exister un plasma de quarks et de gluons : un état de la matière cent fois plus dense qu’au sein d’un noyau atomique, et qui aurait existé aux tout premiers instants de l’Univers, avec des quarks et des gluons presque libres. Cela pourrait aussi exister au cœur des étoiles à neutrons. Hormis ces conditions très anciennes ou très spéciales (mais que l’on peut recréer dans des accélérateurs de particules), gluons et quarks sont toujours confinés dans des hadrons. Si l’on essaie d’éjecter un quark, l’énergie à fournir est si importante qu’elle crée une paire quark-antiquark. L’anti-quark formé se lie au quark éjecté pour former un méson, et le quark formé vient remplacer le quark éjecté. Bref, pas moyen d’observer un quark isolé.

On peut enfin signaler l’existence du positronium. Ce n’est pas un hadron mais l’assemblage d’un électron et d’un positon. Plusieurs positronium peuvent également s’assembler. Bon, tout cela a une durée de vie ultra-courte, les éléments s’annihilant très vite.

Un modèle à dépasser

Voilà, on est arrivé au bout de notre Modèle standard… Ça va ? Pas trop mal au crâne ?

Toutes ces particules élémentaires, ça manque de simplicité, non ?
C’est ce que ce sont dit des physiciens qui ont recherché, du moins en théorie, des particules encore plus élémentaires et en nombre beaucoup plus réduit, appelées préons, composant ces particules qui, du coup, ne seraient plus élémentaires. Disons le tout net, ça n’a pas donné grand chose, même si l’idée demeure, sous une forme particulière, au sein de la théorie de la gravitation quantique à boucles.
C’est une autre théorie qui allait plus sûrement rouvrir le débat : les supercordes. Ici, chaque type de particules ne serait en fait qu’un mode particulier de vibration d’une « corde » d’une longueur d’à peu près 10^-35 m dans un espace à onze dimensions… ou plus. Ouaip… Je fais court pour l’instant, c’est encore très théorique, très spéculatif mais néanmoins fort intéressant.

Hormis la question du caractère élémentaire ou non des particules issus du Modèle standard, ce dernier, malgré les palmes qu’il mérite, ne suffit pas à contenter les physiciens. Comme je l’évoquais au tout début, la réussite du Modèle standard et tout particulièrement la détection récente du boson de Higgs, n’a pas été sans déceptions pour certains (comme Stephen Hawking qui a même perdu un pari de 100$). En effet, malgré ses prouesses et le fait qu’il n’ait jamais réellement été mis en défaut, on sait que le Modèle standard ne peut être qu’une étape dans notre compréhension du monde car il reste muet sur de nombreuses questions. Et le moindre de ses échecs aurait fourni une piste à suivre vers la grande lumière de la connaissance. Mais il n’y eut pas d’échec…

Quelles sont les faiblesses du Modèle standard ?

Les principaux écueils sont les suivants…

En premier lieu, ce modèle s’appuie sur de nombreux paramètres (19) qui n’ont pas d’explication en soi : ils ne sont pas déduits de la théorie mais de l’observation. Pourquoi, par exemple, un muon est-il environ deux cent fois plus massif qu’un électron ? Pas de réponse.

Ensuite, il n’a pas prédit, et pas plus expliqué l’existence de la « matière noire » qui, pour faire vite, représenterait entre 85 et 90% de la matière dans l’Univers (excusez du peu). Et tout ce que l’on sait de cette « matière noire » (si elle existe, c’est un autre débat), c’est qu’elle ne correspond à aucune des particules décrites ci-dessus.
Idem pour l’énergie sombre, responsable de l’accélération de l’expansion de l’Univers, et qui compterait pour près de 70% du bilan énergétique total de l’Univers (le reste étant à mettre au crédit de la matière, matière noire comprise). Ce qui, à nouveau, n’est pas rien.

Le Modèle standard n’apporte pas plus d’explication sur le fait que la matière l’ait emporté sur l’antimatière (en moyenne, il n’existe qu’une particule d’antimatière – qui ne fait pas long feu – pour un milliard de particules de matière). Selon le Modèle standard, matière et antimatière auraient dû être présentes en quantité quasi égales, du moins avant de s’annihiler complètement (se transformant en lumière), sans nous offrir la moindre chance d’exister. Mais vu que vous êtes là à me lire, cela n’a pas été le cas, et aucun mécanisme n’apparaît suffisant dans ce modèle pour expliquer cette asymétrie.

Enfin, comme nous l’avions dit, le Modèle standard (comme toute la physique quantique) peine à intégrer la gravitation car tout cela demeure incompatible avec la Relativité générale qui est zeu méga théorie dont nous disposons pour décrire cette force.

Il y a donc encore du boulot sur la planche.

Les tentatives pour aller au-delà du Modèle standard

Depuis plus d’un siècle, les théoriciens travaillent à réconcilier Quantique et Relativité générale. Comme nous l’avons dit, actuellement, les pistes les plus sérieuses sont la théorie des cordes (ou supercordes) et la gravitation quantique à boucles. Toutes deux ont des implications concernant l’intimité de la matière et des forces fondamentales. Mais, encore une fois, ce ne sont que des pistes.

Concernant le problème de l’antimatière, il y a également des pistes sérieuses fournies, non pas par les théoriciens mais par les expérimentateurs. Cela concerne un type de kaon (un méson détaillé plus haut), nommé kaon neutre, qui violerait la symétrie CP. Je ne vais pas entrer dans les détails aujourd’hui. Pour faire simple, cette particule passe son temps à se transformer en son anti-particule et vice-versa, et l’on a décelé une différence entre ces deux processus, la transformation d’un kaon en antikaon étant plus lente que l’inverse. Ceci pourrait expliquer qu’il y ait eu un très léger surplus de matière (un milliardième) au moment de la grande annihilation, ce très léger surplus constituant toute la matière existant actuellement dans l’univers. Reste à mieux comprendre ce qui se joue dans ce kaon.

Pour ce qui est de la matière noire, on essaie d’utiliser les méthodes qui ont fait le succès du Modèle standard, à savoir les principes de symétrie. Ceux-ci ont en effet permis d’envisager l’existence de nombreuses particules décrites plus haut, et de nombreux chercheurs envisagent qu’il puisse exister ce qu’ils nomment une « supersymétrie » associant à chaque fermion un boson inconnu, et à chaque boson, un fermion inconnu. Ces nouvelles particules supersymétriques auraient pour caractéristique de posséder une masse élevée. Elles pourraient expliquer la matière noire mais également éclaircir les débats sur la grande unification (unification des trois forces, hors gravitation) et sur les caractéristiques du boson de Higgs. Bref, on attend beaucoup de ces hypothétiques particules, et il n’est pas impossible que l’on entende parler d’elles dans les mois à venir. Le grand accélérateur de particules du CERN, le LHC (photo ci-dessous, crédit : Maximilien Brice, CERN), vient en effet de redémarrer après deux ans de travaux ayant permis d’augmenter sa puissance de 60%. De nouvelles découvertes pourraient donc être au rendez-vous.

D’autres axes de recherche existent. Cela peut concerner d’autres particules à découvrir comme, par exemple, un quatrième type de neutrinos, le neutrino stérile, qui ne serait même pas sensible à l’interaction faible mais uniquement à la gravité, le rendant quasiment indétectable même s’il s’agissait de la particule la plus abondante de l’Univers. Cela peut aussi concerner les lois elles-mêmes, celles qui sont utilisées pour rendre compte de ces particules, de ces forces…

Voilà… Tout cela pour vous dire que la matière et les forces en jeu conservent encore beaucoup de secrets. Si nous arrivons ici à la fin d’un exposé débuté avec Dmitri Mendeleïev, vous comprenez que la quête est loin d’être terminée. J’espère donc pouvoir vous donner bientôt rendez-vous pour un nouveau chapitre !