Faut-il repenser la matière ? (S10)
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Les Fermions : Leptons et Quarks Les particules constitutives de la matière, les fermions, sont au nombre de 12. Les fermions élémentaires peuvent être classés en trois familles. Chaque famille contient deux quarks, un lepton chargé et son neutrino. D’une famille à l’autre, les propriétés des particules sont semblables, à l’exception de leur masse. Ces masses sont de plus en plus élevées de la première à la troisième famille. La première famille contient les particules les plus stables et les plus courantes : les quarks up et down, l’électron et le neutrino électronique. On ne trouve les particules des deux autres familles que dans les rayons cosmiques ou les accélérateurs. Curieusement d’ailleurs, les deux dernières familles peuvent être vues comme des copies de la première, aux particules qui ne se distinguent que par leur masse. C’est un peu comme si la nature avait bégayé 2 fois. Ce bégaiement pourrait expliquer la prédominance de la matière sur l’antimatière.
Les Bosons Comment la matière tient-elle ensemble ? La réponse résulte dans l’interaction des quatre forces physiques : la gravité, la force nucléaire forte, la force nucléaire faible et la force électromagnétique. Ces forces agissent sur les fermions élémentaires par l’échange de bosons de jauge, l’autre classe de particules élémentaires. On appelle aussi les bosons de jauge des "particules de rayonnement". Chaque boson de jauge est associé à une force. Le photon transmet la force électromagnétique. Les gluons transmettent la force nucléaire forte. on peut comparer cette force à un élastique incassable : il faudrait une force infinie pour séparer les quarks qui sont unis grâce aux gluons. Enfin, les bosons faibles transmettent la force nucléaire faible, et le rôle du graviton est de transmettre la force gravitationnelle. Notons que le graviton ne fait pas partie du modèle standard. Son existence est purement théorique et aucune expérience n’a encore démontré sa présence. Quant au boson de Higgs, il serait responsable de la masse des autres particules. Son existence n’a jamais été démontrée non plus. Les superpartenaires Le modèle standard est la théorie couramment admise. Maintes expériences ont validé ses prédictions avec d’incroyables précisions et presque toutes les particules postulées ont été trouvées. Cependant, cette théorie n’explique pas tout et ne fournit pas d’explication à la classification des constituants de la matière en trois générations de particules. Il n’explique pas non plus pourquoi les quarks ne peuvent se propager a l’état libre hors des hadrons, les particules dont ils sont les constituants. Et enfin, le mécanisme de Higgs n’a jamais été testé expérimentalement. Certains penchent pour la supersymétrie. Cette théorie ne renie pas le modèle standard mais y apporte quelques modifications. Elle corrige notamment certaines des insuffisances du mécanisme de Higgs en dénombrant 5 bosons de Higgs. La supersymétrie associe a chaque fermion du modèle standard un partenaire boson, et à chaque boson un fermion. Dans cette approche, le partenaire supersymétrique (ou superpartenaire) est une particule n’interagissant que très faiblement avec la matière.
Ces superpartenaires pourraient donc permettre de résoudre le problème de la masse cachée de l’univers, qui représente 20 % du contenu de l’Univers. Une de ces particules supersymétriques, le neutralino, pourrait à lui seul représenter toute la matière noire manquante. On appelle ces nouvelles particules des sparticules. Smuons, sélectrons, squarks… il existerait donc d’autres particules élémentaires. Reste à les trouver. Le Boson de Higgs La théorie du modèle standard, qui décrit toutes les particules élémentaires, implique que celles-ci soient de masses nulles. Or, les scientifiques ont pu établir expérimentalement les masses de toutes les particules avec de bonnes précisions. Et si photon et gluons sont bien de masse nulle, ce n’est pas le cas des bosons Z et W, ni des quarks et ni des électrons. Pour que le modèle standard ne s’écroule pas, Peter Higgs en imagine, en 1963, la clé de voûte. Il "invente" une autre particule, un boson, dit de Higgs. Selon cette idée, les particules acquièrent une masse en interagissant avec un champ omniprésent (le champ de Higgs) porté par ce fameux boson de Higgs. C’est lui qui confère des masses à toutes les autres particules, ainsi qu’à lui même. La masse d’une particule n’est qu’une apparence : elle dépend de l’intensité avec laquelle elle interagit avec le boson de Higgs. Pour illustrer ce mécanisme, imaginons une pièce contenant des invités (nos bosons de Higgs) uniformément répartis dans celle-ci. Une personnalité (notre particule censée interagir avec les bosons de Higgs) entre alors dans cette pièce et tout le monde s’agglutine autour d’elle pour lui parler : elle a alors de plus en plus de mal à bouger, comme si elle acquérait de plus en plus de masse. Ce mécanisme est maintenant considéré comme une partie essentielle du modèle standard et l’existence du boson de Higgs est capitale pour les théoriciens. La détection du boson de Higgs est LE défi actuel de la physique des particules et fait l’objet d’une compétition acharnée. Si aucun laboratoire n’y parvient d’ici 2007, le nouvel accélérateur du Cern à Genève, qui sera en fonction à cette date, devrait apporter une réponse définitive sur l’existence du boson de Higgs. Les extensions les plus simples du modèle standard prédisent au moins 5 Higgs de masses et de probabilité de production différentes. Si l’on trouve un Higgs, il faudra encore déterminer s’il est seul ou si l’on est dans un scénario plus complexe. De plus Le Higgs lui-même n’est pas la fin de l’histoire de l’origine des masses : même si le mécanisme de Higgs fournit un cadre pour expliquer comment une masse est affectée a chaque particule, il n’y a pas de théorie qui prédise les valeurs de ces masses. Faut il repenser la matière ? Du point de vue de la théorie il y a de nombreux prolongements. Le boson de Higgs pourrait ne pas être fondamental et sa structure pourrait être composite. Il pourrait en fait être un état lié de deux fermions comme dans les théories dites de « technicolor ». D’autres explorent la possibilité de s’en passer totalement dans le cadre des cosmologies branaires avec des dimensions d’espace supplémentaires. Une autre hypothèse est celle de l’Univers avec deux feuillets issue d’une généralisation de la géométrie appelée géométrie non commutative. Une hypothèse dont le promoteur est le mathématicien français Alain Connes, lauréat de la médaille Fields, l’équivalent du prix Nobel en mathématiques. Le boson de Higgs est alors un effet dérivé de cette géométrie.
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