Histoire de l’Univers – Partie 4 : Le Modèle standard de la physique

Une particule élémentaire non observable directement
(elle ressemble peut être à cela !)

Le premier article [1] de cette série a présenté une ébauche du début de l’histoire de l’univers telle que la cosmologie moderne la conçoit.
Pour comprendre cette histoire, il est apparu nécessaire d’aborder le domaine de la physique des particules.
En effet, à ses instants initiaux, l’univers était constitué de particules dites « de base » à très haute énergie.
Ce domaine de la physique est décrit par un ensemble de théories regroupées sous le nom de « Modèle Standard ».

Le second article [2] a donc introduit les principaux concepts permettant de comprendre le Modèle standard qui va être présenté ici.
Une troisième partie a abordé l’une des théories du modèle standard qui est la plus aboutie : la QED [3].

Le Modèle Standard est un modèle ouvert car il peut évoluer en fonction d’éventuelles observations nouvelles. Sa présentation sera divisée en 4 parties :
– Les 2 familles de particules fondamentales
– Les 4 interactions fondamentales entre ces particules
– Les particules de base qui constituent l’Univers
– Les lois physiques qui régissent ces interactions et les théories associées

1. LES DEUX FAMILLES DE PARTICULES FONDAMENTALES

La matière ordinaire est constituée d’un assemblage d’atomes juxtaposés. Ces derniers se présentent sous la forme d’un noyau constitué de nucléons (neutrons et protons) autour duquel gravitent des électrons.
Les nucléons sont eux même constitués de particules plus petites : les quarks, ces derniers sont considérés aujourd’hui comme des particules fondamentales (*).

(*) Non constituées de particules plus petites.

Fig. 1 : Les plus petits constituants connus de la matière

Les particules de base qui constituent la matière sont appelées « fermions ». Ces dernières interagissent entres elles par échange d’autres particules appelées « bosons ».
Ces 2 familles de particules obéissent chacune à des lois physiques différentes.

Le modèle standard décrit donc les constituants de base de l’univers à l’aide de 2 types de particules seulement :
– les fermions pour la matière ordinaire
– les bosons parmi lesquels on trouve les vecteurs d’interactions entre les fermions

Ce qui distingue ces 2 familles de particules est un paramètre quantique assez mystérieux appelé spin dont la valeur est quantifiée comme pour tout ce qui touche à la physique des particules. Le « quanta » du spin est égal à 1/2, donc le spin ne peut prendre que des valeurs multiples de cette dernière (0, 1/2, 1, 3/2, 2, …).

Le spin des fermions est un demi-entier : 1/2, 3/2,…
Le spin des bosons est un entier : 1, 2,…

Le comportement de ces 2 types de particules est très différent comme on le verra plus loin.

2. LES PROPRIÉTÉS « QUANTIQUES » DES PARTICULES ÉLÉMENTAIRES

Pour y voir clair, examinons quelques propriétés dites quantiques des particules élémentaires.

Quantité de mouvement et moment cinétique
En physique classique, lorsqu’un objet se déplace en ligne droite on définit la notion de quantité de mouvement, si l’objet est en rotation sur lui même ou en orbite autour d’un axe, on parle de moment cinétique .

La figure 2 illustre ces concepts à travers l’exemple d’une boule de billard et celui de la toupie.

Fig. 2 : quantité de mouvement et moment cinétique

Le spin des particules et la polarisation
En physique des particules, même si la réalité est plus complexe, le spin d’une particule peut par analogie être décrit approximativement comme un moment cinétique de la particule liée à un mouvement de rotation sur elle même. En continuant à raisonner par analogie, la valeur du spin (par incréments possibles de 1/2) peut être considérée comme proportionnelle à la vitesse de rotation de la particule sur elle même.

La polarisation est une caractéristique du spin, l’image que l’on peut donner correspondrait à la direction de l’axe de rotation de la particule.
Par exemple, pour une polarisation donnée la particule tourne autour de son axe dans un certain sens, si la polarisation est inversée, l’axe est retourné de 180 degrés et la particule tourne dans l’autre sens.

Un assemblage de particules élémentaires possède également un spin qui est composé à partir de celui de ces dernières.
Par exemple, un atome constitué de quarks, de bosons et d’électrons possède un spin.
Les règles qui régissent ce spin résultant font encore l’objet de recherches à l’heure actuelle.

Une application concrète des découvertes liées au spin est la fabrication de disques durs à haute capacité.

État quantique
L’état quantique d’une particule est l’ensemble des paramètres qui servent à décrire complètement son état.
Le spin est l’un de ces paramètres.

Principe d’exclusion de Pauli
En 1925, le principe d’exclusion de Pauli fut établit par le physicien du même nom. Ce principe indique que 2 électrons dans le même état quantique ne peuvent se trouver simultanément au même endroit.
Ce principe fut ensuite généralisé à tous les fermions, autrement dit à toutes les particules de spin demi entier.
Les bosons n’obéissant pas à ce principe peuvent occuper simultanément le même point d’espace, ils peuvent en quelque sorte se « passer au travers ».

Principe d’indétermination d’Heisenberg
Le principe d’indétermination (et pas d’incertitude) d’Heisenberg dit : « on ne peut connaitre avec une précision arbitraire la vitesse et la position d’une particule ».
C’est une limite intrinsèque au monde quantique, car les objets quantiques ne sont pas de même nature que les objets physiques.
Certains pensent (en particulier en France) que les objets quantiques possèdent une position et une vitesse déterminée mais que la physique quantique nous empêche de les connaitre.
En réalité, la physique quantique dit qu’une particule n’est jamais un corpuscule. Vitesse et position n’ont aucun sens pour un champ quantique.
Si on mesure la position d’une particule, cette position ne préexistait pas à la mesure.
C’est la mesure qui a forcé la particule à prendre position [4].

La famille des fermions
Les fermions sont des particules à spin demi entier qui obéissent au principe d’exclusion de Pauli.
En clair, si l’on remplit une boite avec des fermions, arrivé à un certain point il sera impossible d’ajouter de nouveaux fermions dans la boite car elle sera pleine…

Ce comportement explique par exemple pourquoi les électrons en orbite autour des noyaux d’atomes sont situés sur des couches bien séparées car ils ne peuvent partager le même espace, ils s’évitent comme la peste ! [5]

La famille des fermions constitue en gros les constituants de la matière ordinaire, cependant pour lier entres eux les fermions, on a besoin de particules « collantes » qui ne sont autres que les bosons.

La famille des bosons
Les bosons sont des particules à Spin entier (1, 2,…), ces derniers n’obéissent pas au principe d’exclusion de Pauli.
Rien ne les empêche donc de se concentrer en un même point de l’espace-temps.
Pour reprendre l’exemple précédent, si l’on remplit une boite avec des bosons, alors en théorie tous les bosons de l’univers pourraient tenir dans cette dernière !

Le laser utilise par exemple cette propriété en concentrant une pluie de photons au même point.
Cette concentration correspond à une émission d’énergie ciblée et permet des utilisations pratiques telles que la chirurgie laser ou la transmission de données à travers une fibre optique.

Un exemple de comportement bosonique à notre échelle est la superfluidité de l’hélium 4 (*) :

(*) Pour en savoir plus sur l’hélium 4, un article ici.

Les bosons sont donc des particules fondamentales ou composées qui obéissent à certaines lois physiques.
Dans cette famille, on distingue les bosons dits « de jauge » qui sont spécifiques aux échanges entre fermions. Les fermions échangent ces bosons qui sont les vecteurs de leurs interactions.

3. LES INTERACTIONS FONDAMENTALES

Dans l’univers, les particules sont soumises à seulement 4 interactions, trois d’entre elles peuvent être apparentées à des forces attractives ou répulsives.
Ces interactions se différencient par leur nature, leur intensité, leur signe et leur portée.

Les 4 interactions fondamentales sont les suivantes :
. Interaction électromagnétique
. Interaction gravitationnelle
. Interaction nucléaire forte
. Interaction nucléaire faible

La gravitation a jusqu’ici résisté à toutes les tentatives de description théorique par le modèle standard, elle est donc pour l’instant exclue de ce dernier.

Ce qui différencie les fermions (particules de la matière ordinaire) est la possibilité d’interaction (ou pas) avec un ou plusieurs des bosons de jauge.

Interaction électromagnétique
Le boson de l’interaction électromagnétique est le photon qui est une particule d’énergie pure sans masse constituant par exemple la lumière ordinaire.

Il ne possède ni masse ni charge électrique.

Comme l’a démontré la célèbre expérience de Michelson, la lumière se déplace à vitesse constante C (300 000 km/s), quelque soit le référentiel considéré. D’après la relativité cette vitesse est une limite ne pouvant être dépassée par aucun objet possédant une masse.

Les photons, dépourvus de masse, ne peuvent exister qu’en mouvement à vitesse constante C.
Puisqu’ils se déplacent tous à la même vitesse, les photons se différencient par la quantité d’énergie qu’ils véhiculent qui est fonction de leur longueur d’onde. Plus cette dernière est faible, plus l’énergie du photon est élevée comme l’illustre la formule de Planck [2] :

E=Énergie, h=constante de Planck, v=fréquence (inverse de la longueur d’onde)

Le photon interagit très facilement avec les autres particules (Nucléons, électrons, etc…).

Exemple : lorsqu’un photon interagit avec un œil humain, le cerveau perçoit une couleur. Cette couleur est liée à la longueur d’onde du photon (du rouge vers le bleu lorsque la longueur d’onde diminue).

Une particularité troublante du photon est que pour lui, le temps ne s’écoule pas, c’est une conséquence de la théorie de la relativité d’Einstein.
Si vous arriviez à chevaucher un photon émis par le soleil, votre durée de trajet ressentie pour atteindre n’importe quel point de l’univers serait nulle !

Interaction gravitationnelle
Cette interaction est citée pour mémoire car elle ne fait pas encore partie du modèle standard, aucun physicien n’a jusqu’à présent réussi à établir une théorie quantique qui fonctionne à ce sujet. Les recherches sont donc toujours en cours.
L’existence d’un boson appelé « graviton » est subodorée mais non confirmée par l’expérience.

Pour l’instant la gravitation est décrite par la relativité générale d’Einstein qui géométrise un espace/temps continu en fonction de la matière/énergie qu’il contient.
Cette théorie est à 100% incompatible avec la théorie quantique.

La relativité générale n’utilise que 2 constantes :
– vitesse de la lumière C
– constante de gravitation g
Les constantes de la physique quantique n’interviennent pas.

Interaction nucléaire forte
L’interaction nucléaire forte est portée par 8 bosons différents appelés « gluons ».
Cette interaction ne concerne que les quarks du noyau qui sont donc reliés entres eux par ces gluons, les électrons et neutrinos y sont insensibles (*).
La particularité de cette interaction est que son intensité augmente avec la distance un peu comme avec des ressorts, il est donc presque impossible d’arracher un quark au noyau.

La fig. 3 montre l’exemple du proton constitué de 2 quarks up et 1 quark down reliés par des gluons.

(*) A noter que les quarks interagissent également avec les photons, cela s’explique par le fait qu’ils possèdent une charge électrique. C’est l’interaction entre les électrons et les quarks par échange continu de photons qui stabilisent les électrons sur leurs orbitales autour du noyau.

Fig. 3 : le proton constitué de ses 3 quarks liés par des gluons

Comme son nom l’indique, l’interaction forte est la plus puissante des 4 interactions fondamentales.
A titre d’exemple, dans un accélérateur, un proton immobile peut arrêter un autre proton lancé vers lui au tiers de la vitesse de la lumière grâce à l’interaction forte [9].

Un proton fonce à 100 000 km/s dans le tunnel du LHC
…un autre proton va le stopper net !

Interaction nucléaire faible
L’interaction nucléaire faible est portée par 3 bosons différents, deux d’entre eux sont chargés électriquement et le troisième est neutre.
Ils sont appelés « W+ », « W- » (Weak = faible) et « Z0 » (pour 0 charge électrique).
Cette interaction est assez différente des autres car elle se manifeste sous la forme de désintégration de particules qui se transforment en d’autres particules.
L’interaction faible intervient en particulier dans la désintégration β (Beta).

L’exemple le plus courant concerne le neutron qui peut se transformer en proton.
Pour des raisons de conservation d’énergie, il produit alors en plus un électron et un (anti)neutrino :

La théorie de l’interaction faible indique qu’en fait la réaction de désintégration passe par un état intermédiaire éphémère produisant un boson W ou Z.

Dans l’exemple du neutron, ce dernier se transforme d’abord en un boson W- qui se retransforme presque immédiatement en un électron et un antineutrino :

Le champ de Higgs
Les physiciens Brout, Englert et Higgs ont développé une théorie pour expliquer la masse des particules fondamentales qui en possèdent une.
Cette masse ne serait pas intrinsèque mais induite par un champ quantique qui remplirait tout l’univers.
Le quanta de ce champ serait donc le fameux boson dit « de Higgs ».

La masse d’une particule élémentaire serait acquise par interaction avec ce champ qui freinerait plus ou moins leur déplacement.
L’existence du Higgs est aujourd’hui presque démontrée par les expériences ayant eu lieu en 2012 dans le tunnel du LHC à Genève [10].

Il faut remarquer que ce modèle de Higgs n’explique pas la chute des corps due à la gravitation, cette dernière serait liée à l’existence d’un autre boson hypothétique : le graviton.
Le modèle de Higgs n’explique que le comportement inertiel lié à la masse (loi de Newton).

La particularité du boson de Higgs est son spin qui serait nul d’après la théorie. Le LHC aura du pain sur la planche pour vérifier tout cela lors de son redémarrage en 2015 !

Arrivé à ce stade, il est temps de faire le point sur la classification des particules subatomiques.

4. LES PARTICULES FONDAMENTALES

L’univers visible est donc constitué de 2 types de particules : les bosons et les fermions.
A chaque particule de ces 2 familles est associée ce que l’on appelle une antiparticule de charge électrique opposée.

Les bosons de jauge évoqués précédemment sont d’un type particulier, ils servent à transmettre les interactions entre les fermions.
Ils sont dits « vecteurs d’interactions ».

Classification des bosons de jauge
En synthèse, les bosons de jauge identifiés aujourd’hui sont au nombre de 13 (fig 4) :
– 3 bosons pour l’interaction faible (W+, W-, Z0)
– 1 boson pour l’interaction électromagnétique (photon)
– 8 bosons pour l’interaction forte (gluons)
– Le boson de Higgs

Fig. 4 : Les bosons de jauge pour 3 des 4 interactions du modèle standard

Classification des fermions
Puisque les fermions n’interagissent pas tous avec la force forte (gluons), ces derniers ont été subdivisés en 2 sous-famille :
– les quarks qui interagissent avec la force forte
– les leptons qui n’interagissent pas avec cette dernière

Les électrons et les neutrinos vus dans un article précédent [2] sont donc classés dans la sous-famille des leptons.
Et bien entendu, comme leur nom l’indique, les quarks up et down (*) font partie de la famille des quarks.

Une première famille de fermions est donc identifiée comme suit (fig. 5) :

Fig. 5 : Fermions = leptons et quarks

(*) Ce paramètre (up, down,…) est appelé « saveur » des quarks.

La sous-famille des Quarks…et les Hadrons
Les quarks sont aujourd’hui les plus petits constituants connus de la matière, même si aucun d’entre eux n’a pu être isolé expérimentalement jusqu’ici.
Les quarks sont sensibles aux 4 types d’interactions et ils sont reliés entres eux par l’interaction forte à travers des bosons appelés gluons.

Les quarks se différencient suivant 2 paramètres quantiques :
. la saveur : up, down…
. la charge dite « de couleur » : rouge, bleu, vert (*).

(*) Cette terminologie n’a rien à voir avec une couleur au sens intuitif, il s’agit d’une règle liée à la théorie de la QCD.

Les assemblages de quarks « collés » par des gluons constituent la famille des Hadrons (Hadron = Hard !).
Protons et neutrons ne sont donc que des cas particuliers (constitués de 3 quarks) de cette famille.

Les quarks possèdent également chacun leur antiparticule de charge électrique opposée.

Le proton
Le proton est constitué de deux quarks Up et d’un quark Down (Fig. 3)

Le neutron
Le neutron est constitué de deux quarks Down et d’un quark Up.

La sous-famille des Leptons
Les leptons sont des éléments légers (Lepton = light !) caractérisés par le fait qu’ils ne sont sensibles qu’aux forces suivantes :
– nucléaire faible
– électromagnétique
– gravitationnelle
Ils sont insensibles à l’interaction forte.

Les leptons les plus connus sont l’électron et le neutrino.

L’électron
L’électron est une particule matérielle découverte en 1897 par Joseph John Thomson, sa masse est 1850 fois plus faible que celle du proton.
Il possède une charge électrique négative et une antiparticule : le positron.
Le positron a été anticipé par Paul Dirac et découvert expérimentalement en 1932.

Le neutrino
L’existence du neutrino fut anticipée par Wolfgang Pauli en 1930 dans le cadre de l’étude de la radioactivité bêta.
C’est une particule assez étrange, on a cru pendant très longtemps qu’il ne possédait pas de masse avant de déterminer en 1998 au Japon qu’il en possédait une très faible.
Les neutrinos possèdent une antiparticule : l’antineutrino, il se pourrait cependant que ces 2 particules n’en fassent qu’une comme le supposait le physicien italien Ettore Majorana [6].

Le neutrino interagit très peu avec les autres particules car il est uniquement sensible à l’interaction faible.
Un neutrino peut traverser la terre entière sans être intercepté par l’un des atomes de cette dernière !

Le neutrino est donc très difficile à détecter.

Particules, antiparticules et antimatière
Chaque particule possède une antiparticule de charge électrique opposée, lorsqu’elles se rencontrent, elles se transforment en énergie : 2 photons.
Ex : Proton + Antiproton = > Photon + Photon

Le neutron ayant globalement une charge électrique nulle est cependant constitué de 3 quarks chargés individuellement (1/3 + 1/3 + (-2/3) = 0).
L’antineutron est donc constitué d’antiquarks de charges opposées à ceux du neutron mais sa charge globale est également nulle.
Le photon est un cas particulier car il est sa propre antiparticule.

Les antiparticules forment ce que l’on nomme l’antimatière.

Ca se complique (un peu !)
Tout aurait pu en rester là avec une brochette de particules stables constituée d’une douzaine de bosons et de 4 fermions qui suffisent à construire toute la matière connue de l’univers :
– électrons
– neutrinos
– quarks up et down
– bosons de jauge

Le problème est que les nombreuses expériences effectuées depuis 50 ans dans les collisionneurs et autres accélérateurs ont mis en évidence de nombreuses particules de type hadrons mais dont la durée de vie est très brève, inférieure à 1 millionième de seconde.

Pour construire toutes ces particules, il a fallu ajouter 2 générations supplémentaires de hadrons fondamentaux (fig. 6). Ces dernières sont totalement similaires à la première à part leur masse qui est plus élevée, leur existence a été démontrée par l’expérience.
Ces 2 générations sont donc constituées de 4 quarks correspondant à 4 nouvelles saveurs aux noms exotiques (*) et 4 leptons (2 neutrinos lourds et 2 électrons lourds).

Fig. 6 : les générations 2 et 3 de hadrons fondamentaux

(*) Strange, Charmed, Bottom, Top

Cependant, personne ne comprend l’intérêt pour la nature d’avoir compliqué ainsi les choses avec des particules si éphémères, quelle est leur utilité ?

Synthèse du bestiaire des particules du modèle standard

Le tableau ci-dessous résume l’ensemble des particules constituant le modèle standard (fig. 7) :

Fig. 7 : les 25 particules du modèle standard

Environ 25 particules de base suffisent donc pour construire tout ce qui est contenu (et connu) dans l’univers.
Les travaux futurs sur les règles d’interaction avec le boson de Higgs réduiront peut être ce nombre à une quinzaine en montrant que les 3 générations de fermions n’en font qu’une.

Les particules fondamentales et leurs interactions

Fermions et hadrons ne sont pas sensibles aux quatre interactions possibles, le tableau ci-dessous résume la situation pour trois types de particules :

Quelques particules du modèle standard et leurs interactions possibles

5. LES THÉORIES DU MODÈLE STANDARD

Après avoir décrit les interactions fondamentales qui s’exercent sur les particules fondamentales, il reste à décrire les théories du modèle standard qui permettent :
– de fixer les lois physiques qui régissent les interactions
– de mathématiser ces dernières pour effectuer des calculs prédictifs

Ces théories dites de jauge, sont au nombre de 3 :
. QED pour l’interaction électromagnétique
. QCD pour l’interaction forte (noyau atomique)
. Théorie électrofaible pour l’interaction faible (noyau atomique)

A noter que la QED explique 99% des phénomènes physiques, elle ne traite cependant pas de ce qui concerne les noyaux atomiques pour lesquels il a été nécessaire de monter 2 théories supplémentaires [5].

QED : ÉlectroDynamique Quantique
L’électrodynamique quantique ou QED permet de calculer tous les phénomènes lumineux et électriques à partir de 3 séquences de base [5] :
. S1 : Un photon va d’un point A à un point B.
. S2 : Un électron va d’un point A à un point B
. S3 : Un électron absorbe ou émet un photon, cela s’appelle un couplage

La figure 8 montre les diagrammes de Feynmann de ces 3 séquences.

Fig. 8 : Les 3 diagrammes fondamentaux de Feynman

La QED fut développée après la seconde guerre mondiale sur une durée de 20 ans environ par Feynmann, Schwinger et Tomonaga à partir des travaux de Paul Dirac.
Le comportement des électrons et des photons en termes de déplacement et d’interactions est de type probabiliste.
La QED permet dans des cas simples et avec des calculs compliqués de déterminer complètement ce comportement.
L’idée est de prendre en compte tous les cas d’interactions et de déplacements possibles avec leur probabilité associée.

Cette théorie est celle qui a été la plus étudiée, elle est donc la plus aboutie, la correspondance entre les calculs et les mesures atteint une précision exceptionnelle de 10E-11, soit 0.00000000001 !

Un article spécifique lui a été consacré ici [3].

Signalons au passage une information troublante,
le scientifique italien Ettore Majorana mystérieusement disparu en 1938 était considéré par certains comme le plus grand physicien du XXe siècle, même devant Einstein [6].
En 2006 on a retrouvé certains de ses brouillons de l’époque (*), ces derniers contenaient l’intégralité du formalisme de la QED développée bien des années plus tard…

(*) Ces documents jamais publiés font partie d’un ensemble remis par Majorana à l’un de ses étudiants peu de temps avant sa disparition. L’intégralité de ces manuscrits n’a pas encore été retrouvée.

Les autres théories du modèle standard concernent l’étude du noyau atomique constitué de nucléons (protons et neutrons).

QCD : ChromoDynamique Quantique
La branche de la physique étudiant les constituants du noyau atomique se nomme la Chromodynamique Quantique (QCD). Elle fut développée dans les années 1970 par plusieurs physiciens dont Murray Gell-Mann.
Cette discipline fut largement inspirée par l’esprit de la QED en ajoutant un nouvel attribut [5].

Saveur des quarks
Nous avons vu précédemment que 6 quarks différents avaient été identifiés par leur saveur (Up, Down, Strange, Charmed, Bottom, Top).

Couleur des quarks
Un quark possède en plus une charge d’un type particulier nommé « couleur ». Cette couleur n’a cependant aucun rapport avec celles qui nous sont familières, il s’agit seulement d’une analogie associée à un nom donné à un paramètre quantique sans équivalent à notre échelle.
Cette charge peut avoir 6 valeur différentes : RVB (Rouge, Vert, Bleu) ou opposée (Antirouge, antivert, antibleu).
La charge de couleur est la source des lois qui régissent l’interaction nucléaire forte.

Echange de couleurs par les gluons
Les quarks sont reliés entres eux par un type de bosons particulier appelé « gluons ». Il existe 8 gluons différents qui peuvent d’après la théorie transporter une charge de couleur d’un quark vers un autre, un quark peut donc changer de couleur.
Les groupements de quarks se forment à condition de former une particule « incolore ».
Par exemple, les groupes de 3 quarks (ex : nucléons) comprennent un quark de chaque couleur : R-V-B.

La couleur des quarks peut donc changer, par contre la saveur de ces derniers est invariante sauf dans un cas particulier, la radioactivité bêta qui fait intervenir la théorie de l’interaction faible.

La QCD n’est pas encore finalisée à cause de certaines incohérences mathématiques complexes non résolues.
Par ailleurs, la différence entre les valeurs calculées et l’expérience reste élevée avec un écart d’environ 10%, cette précision est largement inférieure à celle de la QED.

Théorie de l’interaction faible
L’interaction faible permet de modéliser les phénomènes de radioactivité β constatés au niveau du noyau atomique.
Ce type de radioactivité se manifeste à notre échelle par la transmutation spontanée d’un élément en un autre élément (ex : le tritium se transforme progressivement en hélium 3).

Vue du noyau de l’atome
Au niveau atomique, l’explication est simple, un neutron se transforme en proton en émettant 2 autres particules, il s’agit d’une désintégration dite « à 3 corps » :

La théorie électrofaible montre qu’en fait, lors d’une phase intermédiaire de la désintégration, un boson W- apparait dans un premier temps mais avec une durée de vie très brève.
C’est ce boson qui se transforme ensuite en un électron et un antineutrino.

Vue du neutron
Au niveau du noyau atomique, le mécanisme de transformation d’un neutron en proton concerne en fait un seul quark qui change de nature.
Un neutron constitué par 1 quark up et 2 quarks down se transforme en un proton constitué par 2 quark up et 1 quark down.
Il s’agit donc simplement d’un quark down qui se transforme en un quark up dans le noyau (fig 9).

Fig. 9 : le mécanisme détaillé de la désintégration β

Lois de conservation
Durant l’évolution de l’univers, différentes hypothèses sur la conservation de certaines grandeurs physiques ont été faites.
Les grandeurs suivantes sont considérées comme invariantes :
. énergie totale
. total des charges électriques
. nombre baryonique (protons, neutrons et autres particules éphémères)
. nombre leptonique (électrons, neutrinos,…)

Ces lois permettent de déduire les interactions possibles et celles qui ne le sont pas.
Lorsque l’univers grossit, la densité des particules présentes diminue (nombre de particules par unité de volume) car elles se répartissent dans un espace de plus en plus important mais leur nombre total reste constant.

Le mystérieux vide quantique
On ne peut pas parler du modèle standard de la physique sans évoquer le vide quantique qui est un sujet à part entière.
Comme souvent, la première vision pré-scientifique du vide fut élaborée en Grèce antique par Démocrite (4e siècle avant JC).
Selon ce dernier, l’univers serait constitué de vide (conteneur) dans lequel on trouve des particules élémentaires, les atomes (contenu) qui agrégés en très grands nombres constituent tout ce qui existe, belle intuition démontrée plus de 2000 ans plus tard !

Suivant cette vision, on pourrait supposer que si l’on retire les particules connues qui constituent les planètes, galaxies etc., alors il ne reste plus que de l’espace vide de tout.
C’est comme cela que l’on imagine par exemple l’espace interplanétaire.

En réalité, il n’en est rien car le vide tel qu’on l’imagine n’est pas vide du tout.
Il contient en fait une forme d’énergie se présentant sous la forme de champs quantiques fluctuants. Ces derniers ne peuvent avoir une valeur moyenne nulle suite au principe d’indétermination d’Heisenberg.

L’expérience : effet Casimir
Cette énergie peut être mise en évidence à travers le célèbre « effet Casimir« , cet effet est la manifestation d’une énergie du vide prédite en 1948 par le physicien du même nom et démontré par l’expérience en 1997.
Deux plaques conductrices placées très près l’une de l’autre subissent spontanément une force attractive qui peut être mesurée.

Les résultats des mesures indiquent une densité d’énergie égale à environ 10E-20 J/M3 (Joules par mètre cube).

La théorie : calcul de l’énergie du vide
Pour calculer l’énergie du vide en appliquant la théorie quantique, il suffit de diviser le quanta d’énergie minimale par le quanta de volume minimal aux limites de Planck.

La densité d’énergie du vide ainsi obtenue est d’environ 10E112 J/M3.
Ce résultat signifierait qu’un mètre cube de vide contiendrait l’équivalent énergétique de 10E54 galaxies (1 avec 54 zéros) !

On constate donc que le vide pose un grave problème car la différence entre les calculs et les mesures est immense.
C’est ce que l’on appelle la « catastrophe du vide ».

La « catastrophe du vide »
La question est donc de déterminer la valeur réelle de la densité d’énergie du vide.
Si l’on compare la valeur mesurée à travers l’effet Casimir à la valeur calculée par la théorie, on obtient une différence de 120 ordres de grandeurs : soit 1 avec 120 zéros derrière.
D’autres composantes de cette énergie du vide restent sans doute à identifier, le champ de Higgs est vraisemblablement l’une d’entre elles.

Le moins que l’on puisse dire est que la théorie ne colle pas avec l’expérience…

Autre propriété du vide
Par ailleurs, en théorie quantique, la loi de conservation de l’énergie peut être brièvement violée. Le vide peut en effet « prêter » de l’énergie à l’occasion d’une collision de particules à condition que cette énergie soit presque immédiatement rendue.
Sans renter dans des considérations complexes, ce « viol » est autorisé par le principe d’indétermination d’Heisenberg.
Les physiciens considèrent que le vide est rempli de particules virtuelles qui se matérialisent brièvement lorsqu’on apporte de l’énergie, par exemple lors de collisions de particules à hautes vitesses.

Le vide pose bien d’autres questions, par exemple si son énergie s’avère réellement très élevée, il semblerait qu’elle ne courbe pas l’espace-temps relativiste.
Le vide quantique pourrait donc ne pas appartenir à notre univers selon la définition que l’on donne à ce dernier…

Par ailleurs, Certains rêvent déjà de pouvoir exploiter l’énergie du vide qui serait une source « propre » et illimitée [8], mais cela reste très spéculatif.

Ce qu’il faut retenir
L’univers contient 3 sources d’énergie [7] :
– matière
– rayonnement
– vide quantique

Les recherches se poursuivent au sujet du vide quantique, car comme on le voit, la question est loin d’être résolue.
Il s’agit très probablement du nouveau continent à explorer au XXIe siècle.

Le Lagrangien du modèle standard
Pour terminer en beauté (au sens mathématique !), voici la formule générale qui définit les 3 interactions liées aux théories évoquées.
Cette équation qui semble très ésotérique au profane se nomme un Lagrangien :

Le Lagrangien du modèle standard

Cette équation est capable de déterminer entièrement un système composé de particules fondamentales et chaque terme correspond à une partie de la modélisation :
Ligne 1 : comportement des bosons (Sauf Higgs)
Ligne 2 : fermions et interactions avec bosons
Ligne 3 : couplage des fermions et bosons au champ de Higgs
Ligne 4 : potentiel de Higgs

Cette formule compacte qui décrit toute la matière rencontre un certain succès marketing, en premier lieu chez des physiciens tels que John Ellis !

Le physicien John Ellis du CERN

Dernière mise à jour de l’article : 11/12/2017.

La suite de cet article :
Histoire de l’univers – Partie 5 : Grandeur et décadence du modèle standard de la cosmologie

Liens
[1] Histoire de l’univers – Partie 1 : Naissance et Topologie (Sur ce blog)
[2] Histoire de l’univers – Partie 2 : Introduction à la physique fondamentale (pour les nuls !) (Sur ce blog)
[3] Histoire de l’univers – Partie 3 : QED… Vous avez dit QED ? (Sur ce blog)
[4] « Cours introductif de Philosophie des Sciences 7/9 » Etienne Klein
[5] « Lumière et matière » – Richard Feynman – 1987
[6] « En cherchant Majorana » – Etienne Klein – 2013
[7]  » Aux Frontières De L’univers – Du Big Bang Au Quark » Marceau Felden – 2005
|8] « L’Energie du Point Zéro » – Marc HERMANS
[9] « Discours sur l’origine de l’univers » – Etienne Klein – 2010
[10] « A la recherche du boson de Higgs » – Christophe Grojean – 2013
[11] La science pour tous – site de Benjamin Bradu (*)

(*) Que je remercie au passage car je lui ai emprunté les petits dessins trouvés sur son site !