Sommaire

Le cadre du Modèle Standard

Le cadre général

Le Modèle Standard de la Physique des Particules est la théorie actuelle qui permet d'expliquer tous les phénomènes observables à l'échelle des particules.

Le Modèle Standard décrit les 12 particules élementaires qui constituent la matière et leurs 12 anti-particules. Il décrit aussi les 3 interactions fondamentales ayant un effet à l'échelle des particules (interaction électromagnétique, interaction faible, interaction forte) et les bosons médiateurs de ces forces. Enfin, il prévoit l'existence d'un type de boson connu sous le nom de boson de Higgs, mais qui n'a pas encore été observé en 2011.

Le Modèle Standard permet donc d'expliquer tous les phénomènes naturels sauf la gravitation qui, pour l'instant, résiste aux théoriciens. C'est une théorie quantique des champs qui est compatible avec les principes de la mécanique quantique et de la relativité.

L'électrodynamique quantique

Richard Feynman

L'électrodynamique quantique (QED en anglais) est une théorie quantique des champs de l'électromagnétisme. Elle décrit l'interaction électromagnétique des particules chargées et a été appelée le "bijou de la physique" pour ses prédictions extraordinairement précises dans la détermination théorique de quantités telles que l'anomalie de moment magnétique des leptons, ou encore le décalage de Lamb des niveaux d'énergie de l'hydrogène.

Selon cette théorie, les particules chargées interagissent par l'échange de photons. Achevée entre 1948 et 1949, elle ne fut récompensée qu'en 1965. En effet, Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger et Richard Feynman recoivent le prix Nobel de physique pour leur contribution à cette théorie, en particulier par la mise au point du calcul des quantités observables en utilisant la covariance et l'invariance de jauge.

En 1954, Chen Ning Yang et Robert Mills généralisent la QED en développant les théories de champs de jauge, outil indispensable pour l'élaboration du Modèle Standard. Cet outil sera crucial lors de la tentative d'unification des interactions faible et électromagnétique dans les années 1960.

La chromodynamique quantique

David Gross

La chromodynamique quantique (QCD en anglais) est une théorie quantique des champs de l'interaction forte. Elle décrit l'interaction entre quarks et gluons. Elle fut proposée en 1973 par David Gross, David Politzer et Frank Wilczek pour comprendre la structure des hadrons.

Les quarks et les antiquarks sont confinés dans les particules qu'ils constituent et possèdent une propriété nommée « couleur » bleue, verte ou rouge, analogue à la charge électrique de la force électrostatique. Un autre principe fondamental de la théorie est qu'une particule constituée de quarks doit toujours avoir une couleur résultante blanche. Le terme « chromodynamique » vient du mot grec chrôma qui signifie couleur.

La force qui lie les quarks croît avec la distance. Lorsque celle-ci est très faible, les quarks n'interagissent presque pas entre eux, tandis que plus ils s'écartent et plus l'interaction s'intensifie. Ce phénomène est appelé la liberté asymptotique. Cela explique le confinement des quarks.

Dans le cas d'un baryon, composée de 3 quarks, si l'on essaye d'écarter un quark, il faut lui fournir une certaine énergie. Mais comme l'interaction forte croît avec la distance, il faudra fournir de plus en plus d'énergie, jusqu'à un certain niveau où l'énergie fournie permettra la création d'une paire quark-antiquark et on obtiendra ainsi un méson et un baryon. C'est pour cela que l'on obtient des jets hadroniques durant les collisions dans les accélérateurs de particules, et non des jets de quarks.

Les particules de matière

La notion de fermion

Les fermions

Les particules élémentaires de matière sont des fermions. Ils obéissent à la statistique de Fermi-Dirac (d'où leur nom).

Ils sont de spin demi-entier et sont soumis au principe d'exclusion de Pauli. Les fermions se répartissent en 2 familles : les leptons et les quarks.

Cette répartition se fait suivant 3 générations qui ne diffèrent l'une de l'autre que par la masse, plus élevée à chaque génération. Seules les particules de première génération forment la matière ordinaire.

En effet, les protons sont formés de deux quarks up et d'un down, tandis que les neutrons sont formés d'un quark up et de deux down.

Les particules de deuxième et troisième générations sont instables et se désintègrent rapidement en particules de première génération, plus légères, donc plus stables.

Les leptons

Les leptons regroupent les électrons, les muons, les taus, les neutrinos associés. Le terme « lepton » provient du mot grec signifiant « léger ». Les leptons ne sont pas sensibles à l'interaction forte mais uniquement à l'interaction électrofaible et à la gravitation. Les leptons se divisent en 3 générations :

  • L'électron et le neutrino électronique
  • Le muon et le neutrino muonique
  • Le tau et le neutrino tauique

L'électron est une particule stable, de masse 1836 fois moindre que celle du proton et de charge négative "-e".

Le muon est une particule instable, a la même charge que l'électron et est 210 fois plus massive que lui. Le muon se désintègre en 2,2×10-6s par le biais de l'interaction faible, laissant à sa place un électron, un neutrino muonique et un antineutrino.

Le tau est une particule très instable, de même charge que l'électron, de masse 3500 fois supérieure. Il se désintègre en 2,8×10-13s, laissant à sa place un neutrino tauique et un antineutrino.

Le neutrino est le plus léger des fermions, n'a qu'une charge faible et n'interagit pas avec la matière. En raison de leur faible masse, les neutrinos sont stables.

Lorsque des particules interagissent, le nombre de leptons de même saveur reste généralement le même, un principe connu comme la conservation du nombre leptonique. Ce principe peut parfois être violé (comme dans le cas de l'oscillation de neutrinos).

Les quarks

Les quarks sont les particules fondamentales qui forment les particules observées. Ils sont sensibles à l'interaction fort. On compte six saveurs de quarks : up, down, strange, charmed, bottom et top. Comme les leptons, ils peuvent être regroupés en doublets de 3 générations :

  • Les quarks up et down
  • Les quarks stange et charmed
  • Les quarks bottom et top

La première génération de quarks constitue la « matière ordinaire » (les neutrons et les protons). Les quarks de deuxième et troisième générations sont plus lourds et forment des particules toutes instables, se désintégrant en quarks de première génération.

Les particules de champ

La notion de boson

Les bosons

Les particules élémentaires de champ sont des bosons. Ils agissent comme vecteur des intermédiaire des interactions fondamentales.

Le terme de boson vient du nom du physicien indien Satyendranath Bose. Pour expliquer la loi de Planck décrivant le rayonnement du corps noir, il suppose que les photons ne suivent pas la statistique de Maxwell-Boltzmann.

Einstein va également étendre la notion de boson à d'autres particules. La statistique sera appelée statistique de Bose-Einstein.

Le photon

Le photon est la particule qui compose les ondes électromagnétiques. Il s'agit de la particule médiatrice de l'interaction électromagnétique. Cela signifie que lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un point de vue quantique comme un échange de photons.

Les gluons

Les gluons sont les vecteurs de l'interaction forte. Les gluons confinent les quarks ensemble en les liant très fortement. Ils permettent ainsi l'existence des protons, des neutrons et des hadrons. Les gluons sont échangés lorsque des particules possédant une charge de couleur interagissent. Lorsque deux quarks échangent un gluon, leur charge de couleur change : le gluon se chargeant d'une anti-couleur compensant la perte du quark, de même que la nouvelle charge de couleur du quark. Étant donné que les gluons portent eux-mêmes une charge de couleur, ils peuvent aussi interagir avec d'autres gluons.

Les bosons Z0, W+ et W-

Le boson Z0 et les bosons W+ et W- sont les particules médiatrices de l'interaction faible. Ces bosons ont été découverts dans les années 1970 au CERN, après la postulat de la théorie électrofaible de Glashow-Weinberg-Salam en 1967.

Les interactions fondamentales

Le cadre général

Tous les processus physiques, chimiques ou biologiques connus peuvent être expliqués à l'aide de 4 interactions fondamentales :

  • L'interaction gravitationnelle, responsable de la pesanteur et des phénomènes astronomiques
  • L'interaction électromagnétique, responsable de l'électricité, du magnétisme, de la lumière
  • L'interaction forte, responsable de la cohésion des noyaux atomiques
  • L'interaction faible, responsable de la radioactivité beta, qui permet au Soleil de briller

La relativité générale décrit la gravitation tandis que le Modèle Standard décrit les 3 autres interactions. Les interactions sont en fait des échanges de particules de champ (les bosons) entre particules de matière (les fermions). Plus la particule de champ est lourde, plus l'interaction associée sera de courte portée.

L'interaction électrofaible

L'interaction électromagnétique agit sur les objets ayant une charge électrique. Elle permet aussi la cohésion des atomes en liant les électrons et le noyau des atomes. L'interaction faible est une force qui agit sur toutes les particules. En particulier, c'est la seule force à laquelle sont sensibles les neutrinos. L'interaction faible est responsable de la radioactivité beta qui permet les réactions nucléaires qui sont la source d'énergie du Soleil.

Au début des années 1960, Steven Weinberg et Abdus Salam postule que l'électromagnétisme et l'interaction faible sont, sous certaines conditions, une seule et même interaction, mais ne s'appliquant qu'aux leptons. En 1967, Sheldon Glashow étend ce postulat en appliquant la théorie à toutes les classes de particules. Cette unification des interactions électromagnétique et faible prédit l'existence d'une interaction faible par courant neutre.

Ce n'est qu'en 1973 que des expériences réalisées au CERN sur la chambre à bulles Gargamelle ont permis d'établir l'existence d'une interaction faible électriquement neutre et la découverte indirecte du boson Z0. En 1983, à l'aide de l'expérience UA1 du CERN, Carlo Rubbia et Simon van der Meer détectent de façon directe les bosons vecteurs W+, W- et Z0.

L'interaction forte

L'interaction forte est une force qui agit sur les quarks. Les leptons y sont totalement insensibles. Elle permet la cohésion des noyaux atomiques en liant les protons et les neutrons entre eux. L'interaction forte est aussi responsable des réactions nucléaires, source d'énergie des étoiles et donc du Soleil.

Après la découverte des quarks, les physiciens se sont rendu compte que la force entre nucléons à moyenne distance n'était en réalité que le reflet de l'interaction entre les quarks et les gluons, agissant au sein des protons eux-mêmes. La théorie de l'interaction forte ne se développe que dans les années 1970, lors de l'élaboration de la chromodynamique quantique. Cette interaction est portée par des bosons appelées gluons.

L'interaction gravitationnelle

L'interaction gravitationnelle est une force toujours attractive qui agit sur toute forme d'énergie, mais avec une intensité extrêmement faible. C'est l'interaction la plus faible des quatre interactions fondamentales. Ses effets ne sont perceptibles que lorsque des objets très massifs sont en jeu, c'est le cas pour les objets astronomiques.

Isaac Newton est le premier à avoir compris que la pesanteur terrestre et les mouvements astronomiques étaient le résultat d'une seule et même interaction. Il fallut ensuite attendre 1915 pour qu'Albert Einstein développe la théorie de la relativité générale, qui permet d'expliquer la gravitation par une théorie géométrique mais non quantique. Il n'existe pas actuellement de théorie de la gravité quantique satisfaisante du point de vue de la phénoménologie.

Au-delà du Modèle Standard

Les failles du Modèle Standard

Le Modèle Standard ne prédit pas pourquoi il existe 3 générations de fermions portant les mêmes charges, mais dans des gammes de masse très différentes. D'autre part, rien ne dit qu'il n'existe pas d'autres familles. Pour le moment, aucune théorie au-delà du Modèle Standard n'explique de manière précise l'existence de ces 3 générations. L'unitarité de la matrice CKM est un test sensible de l'existence d'une autre génération de fermions.

Le lagrangien de jauge du Modèle Standard est composé de trois symétries internes aux particules U(1), SU(2) et SU(3). De la même façon que pour les familles de fermions, rien n'interdit l'existence de sous-groupes de symétries. Le groupe SU(5) aurait pu englober les 3 existants, mais cette symétrie de jauge compliquait le Modèle Standard en obligeant à postuler 24 bosons, et surtout, elle prédisait la désintégration des protons, qui n'a jamais été observée expérimentalement.

Une autre physique est envisagée

Malgré ses grands succès et bien qu'il n'ait jusqu'à présent jamais été mis en échec, le Modèle Standard n'est pas la théorie ultime de la physique.

La raison principale est l'absence de la gravitation dans la théorie. Ensuite, le Modèle Standard est incapable d'expliquer l'existence des trois familles de fermions, ni de prédire leurs masses. Enfin, il semble naturel de tenter d'unifier toutes les interactions en une seule interaction universelle. C'est ce qu'on appelle les théories de grande unification.

Ainsi, la recherche continue pour tenter de percer les mystères de la matière, sur le plan expérimental comme sur le plan théorique, notamment pour résoudre les question suivantes :

  • Pourquoi a-t-on 25 paramètres libres dans le Modèle Standard ?
  • Pourquoi y-a-t'il 3 générations de particules ?
  • Les quarks et les leptons sont-ils élémentaires ?
  • Quelle est la masse du boson de Higgs, responsable de la masse des particules
  • pourquoi les neutrinos oscillent-ils ?
  • Quelle est l'origine de la violation de CP ?
  • Quelle est l'origine de la matière sombre ?
  • Existe-t-il un boson pour la gravitation (le graviton) ?
  • Comment unifier la gravitation avec les autres interactions ?