La saga du Big Bang
  Les forces électromagnétiques et faibles




Au bout d’un cent-milliardième de seconde : la force nucléaire faible divorce à son tour de l’interaction électromagnétique. Les quatre forces fondamentales de la nature sont désormais en place. Elles règnent sans partage. La dernière née correspond, en fait, à l'union des forces électriques et magnétiques classiques. Elle est bien connue depuis les travaux du physicien écossais James Clerk Maxwell, au XIXe siècle. L’interaction faible, elle, explique la radioactivité et la luminosité du Soleil. Jusque-là, elle se confondait avec sa consoeur de sang. Toutes deux se tapissaient au sein de l’interaction électrofaible unifiée.

La force électrofaible se dédouble
Depuis la fin de l’inflation, l’Univers poursuit son expansion à un rythme beaucoup plus raisonnable. Les quarks, futurs constituants des protons et des neutrons dans les noyaux d’atomes, cohabitent et interagissent avec leurs antiquarks. Soudain, au temps libellé un cent-milliardième de seconde (10-11 s) après le big bang, le cosmos subit une nouvelle transition de phase qui affecte sa structure intime. C’est la troisième du genre, après la libération de la force de gravité et de l’interaction nucléaire forte. Ici, la force électrofaible restante accouche :
- de la force électromagnétique, mère de la lumière et des réactions chimiques
- de la force nucléaire faible, qui régit une certaine forme de radioactivité ainsi que la luminosité du Soleil.

Avant cette étape, les deux interactions se trouvaient mêlées et confondues en une seule baptisée « force électrofaible ». Mais une autre brisure de symétrie a encore affecté l’état de l’Univers. Elle se passe plus en douceur que la précédente, qui avait libéré la force forte et l’inflation. Elle a toutefois son importance. Car, désormais, les quatre forces fondamentales de la nature revêtent, peu ou prou, les visages que nous leur connaîtront bien plus tard.

Température ambiante : aux alentours d’un million de milliards (1015) de degrés !... Autrement dit, l’énergie moyenne associée à chaque particule avoisine les 200 milliards d’électronvolts. C’est-à-dire, à peu de chose près, que l’on se trouve dans les conditions reproduites dans le Grand collisionneur d’électrons et de positrons (LEP, Large Electron Positron Collider) juste avant sa fermeture en novembre 2000, au Cern de Genève (Suisse).


Zoom : La traque du Higgs au Cern, du LEP au LHC

Électromagnétisme
La force électromagnétique est une interaction à distance. Elle agit sur les particules porteuses de charge électrique : électrons, quarks, protons… Ceci recouvre deux types de phénomènes. D’un côté, la force électrique attire ou repousse les particules concernées. De l’autre, la force magnétique s’applique aux aimants, aux particules en mouvement et aux courants électriques. En fait, ces deux forces - électriques et magnétiques - ne sont jamais que les deux faces d’une seule et même pièce. Une unique entité physique, que l’Écossais James Clerk Maxwell (1831–1879) a décrite dans un jeu de quatre équations. Le Traité de l’électricité et du magnétisme publié en 1865 explique aussi la propagation de la lumière.

Force faible
La force nucléaire faible incarne un tout autre genre d’interaction. Elle se manifeste à l’échelle de l’infiniment petit. Son intensité est 100 000 fois moindre que celle de l’interaction nucléaire forte qui assure la cohésion des noyaux d’atomes, et 100 à 1000 fois moindre que celle de l’électromagnétisme. Seule la force de gravité lui reste de très loin inférieure. Historiquement, sa découverte au début du XXe siècle a été associée à celle d’une certaine forme de radioactivité dite « Bêta ». Celle-ci consiste en la décroissance d’un noyau atomique par émission d’un électron (ou de son antiparticule le positron). La réaction transforme un neutron en proton (et vice-versa). Sa signature caractéristique est l’émission d’une particule fantôme, légère, rapide et discrète : l’antineutrino (ou neutrino), dont l’existence a été postulée en 1930 par le Suisse Wolfgang Pauli (1900-1958) et qui est resté indécelable jusqu’en 1956, date de sa détection près d’un réacteur nucléaire. La force faible œuvre même dans le corps humain avec la désintégration naturelle du Potassium-40. Elle contribue également à briser les noyaux d’uranium au cœur des centrales de production d’énergie nucléaire. Mais sa plus belle application se déroule, sans conteste, au centre du Soleil. Là, des noyaux d’hydrogène (protons) fusionnent pour donner de l’hélium (2 protons, 2 neutrons) et des positrons. Plus de 600 millions de tonnes d’hydrogène sont ainsi convertis, à chaque seconde en hélium. Ce qui libère cent millions de milliards de milliards (1026) de watts et fait briller notre étoile.

Nostalgie de l’unification

L’esprit de synthèse est une constante en sciences. De tous temps, les savants se sont échinés à percevoir leurs observations dans un cadre unique, plus simple, plus large. La force nucléaire faible et l’interaction électromagnétique ne font pas exception. Au contraire. En 1972, les Américains Sheldon Glashow et Steven Weinberg ainsi que le Pakistanais Abdus Salam ont relevé le défi. Leurs travaux ont abouti à concevoir les forces faibles et électromagnétiques ensemble. Prouesse. La percée est récompensée par le prix Nobel de physique 1979. Et la confirmation directe par l’expérience vient en 1983, lorsque l’Italien Carlo Rubbia et le Néerlandais Simon van der Meer mettent en évidence les particules messagères de l’interaction faible – les bosons W+, W- et Z– dans l’anneau de l’accélérateur SPS (Super Proton Synchrotron) du Cern, à Genève. Les deux scientifiques seront récompensés par le Nobel 1984. Cependant, une nouvelle étape est franchie vers le but ultime d’unification des forces de l’Univers. Les bosons W et Z0 seront, ensuite, produits en quantités au Large Electron Positron Collider LEP du Cern. Leurs masses équivalent à 80 et 91 milliards d’électrons-volts d’énergie, environ cent fois celle du proton ou du neutron. Leurs caractéristiques seront ainsi explorées avec une très haute précision. Le modèle standard de la physique en ressort unanimement conforté.

Zoom : Boson de Higgs, comment les particules obtiennent leur masse

Lumières et étoiles
Le commun des mortels peine à apprécier. Tant la perspective est vertigineuse. Mine de rien, dans l’ombre des laboratoires, ni plus ni moins qu’une étape cruciale de la naissance de l’Univers vient d’être reproduite « à l’envers ». C’est la plus lointaine à laquelle on puisse actuellement espérer remonter compte-tenu des limites, en taille et en énergie, des expériences. Le cosmos, lui, se refroidit inexorablement. De leur côté, les chercheurs créent des énergies et des températures sans cesse plus élevées à l’aide d’instruments de plus en plus grands et performants. Ce faisant, ils déroulent le film de l’expansion en arrière. Ils vont à rebrousse-temps. Avant le dernier changement d’état invoqué, à haute énergie, les trois médiateurs de la force faible se comportaient exactement de la même manière que leurs cousins photons, messagers électromagnétiques de la lumière. En un mot, les uns et les autres étaient virtuellement indiscernables. Après, lorsque la transition de phase a été consommée, les vecteurs de l’interaction électrofaible se sont brutalement distingués. Les forces correspondantes sont nées. Libres et autonomes. Elles éclaireront le cosmos pendant des milliards d’années et feront briller ces myriades d’étoiles.

Zoom : Le boson de Higgs raconté aux enfants