Faut-il croire au big bang?
  La folle aventure des particules
















Les particules élémentaires constitutives de la matière.

 



Depuis plus de deux millénaires, l’homme s’interroge sur la nature la plus intime de la matière. Au départ, il a cru en l’atome indivisible de Démocrite. Et surprise : la notion a perduré. Au passage, elle s’est enrichie d'un cortège de sous-structures et de corpuscules associés - électrons, noyaux, neutrons, protons, quarks, gluons… Cette découverte constitue l'un des acquis majeurs du XXe siècle. Depuis, des milliers de chercheurs sondent l'infiniment petit aux hautes énergies. Désormais, leur modèle standard se base sur une douzaine de particules élémentaires seulement, ainsi que quatre forces fondamentales. Mais bien des énigmes subsistent. Que se cache-t-il derrière le vocable de masse? Quelles seront les étapes ultérieures – supersymétrie ? unification ? supercordes ? – à jalonner le long chemin vers une construction plus complète? Sur ces mystères, le Grand collisionneur de hadrons, en construction à Genève (Suisse), devrait lever un coin du voile à partir de 2007.

Dans les secrets de la matière
Au début régnaient "l’eau, la terre, l’air et le feu…" Selon les Grecs anciens, dont Empédocle d’Agrigente (495-435 ans avant notre ère), notre Univers se serait ramené à quatre éléments seulement. Depuis, des générations de savants se sont penchées sur la composition la plus intime de la matière. Chacune y est allée de son interprétation. Mais rien n’y fait. Les belles idées du départ sont restées. Notamment, le recours au concept d’atome –  indivisible et minuscule, inventé par Démocrite (460 - 370 avant notre ère) – demeure. En 1869, le Russe Dimitri Mendeleïev a élaboré sa classification des éléments chimiques afin de rendre compte des propriétés des corps purs. Puis en 1911, le Britannique Ernest Rutherford, lauréat du prix Nobel 1908, a proposé son premier modèle "planétaire" de l’atome - les électrons, porteurs d’une charge électrique négative - gravitent autour du noyau chargé de manière positive. C’est peu dire qu’à l’époque l’existence de cet objet infime censé mesurer un dix-millionième de millimètre de diamètre était contestée ! Pour preuve, l’Autrichien Ludwig Boltzmann n’a pas supporté le scepticisme à son encontre. L’histoire retiendra cependant que lui-même, ses prédécesseurs et son école avaient raison. L’exploration de l’atome et de sa floraison de sous-structures a suscité l’une des plus folles aventures de la connaissance humaine au XXe siècle.

Atome
Les propriétés chimiques d’un corps sont déterminées par celles des atomes qui le composent. Ainsi l’atome apparaît-il comme l’une des briques de base nécessaires pour constituer la matière. Cependant, les expériences ont vite démontré que ce constituant n’était pas aussi insécable qu’on le croyait. En effet, il se compose d’un noyau entouré d’électrons. Ce noyau lui-même apparaît comme un agrégat de protons chargés de manière positive et de neutrons de charge électrique nulle. L’essentiel de la masse de l’atome est concentrée dans le noyau et ses nucléons (protons ou neutrons pris ensemble).

Fait remarquable, les nucléons ne sont pas des particules élémentaires. Neutrons et protons possèdent une extension finie : ils mesurent de l’ordre de 10-15 mètre de diamètre, un millionième de millionième de millimètre. Et ils présentent une structure fine sous-jacente. Les physiciens les représentent comme un assemblage serré de trois «quarks». Selon la représentation la plus récente du monde, les électrons et les quarks sont les véritables briques ou constituants élémentaires de la matière. On ne leur connaît aucune structure interne à ce jour. Les protons sont constitués de deux quarks «haut» et un quark «bas». Les neutrons regroupent un quark "haut" et deux quarks "bas".

Particules élémentaires
Sur leur lancée dans la quête de l’infiniment petit, les physiciens du siècle dernier ont bâti petit à petit des instruments de dimensions sans cesse plus impressionnantes. Cette course au gigantisme a permis d’atteindre des énergies de plus en plus élevées. Les collisions organisées entre fragments ultimes de la matière ont révélé ce que l’on considère aujourd'hui comme les particules les plus élémentaires. Ces pièces fondamentales sont au nombre de douze. Elles étayent le modèle standard : édifice théorique élaboré dans les années 1970, puis confirmé avec éclat au grand collisionneur d’électrons et de positrons LEP (Large Electron-Positron Collider). Celui-ci a fonctionné de 1989 à l’an 2000 au Cern (Centre européen de recherche nucléaire rebaptisé Laboratoire européen de physique des particules) à Genève. Il sera remplacé par le Grand collisionneur de hadrons (Large Hadrons Collider, LHC) en cours de construction dans le même tunnel souterrain circulaire de 27 kilomètres de long, sous la frontière suisse.

Le modèle standard
La référence de la communauté des chercheurs recèle donc douze particules clefs sans structure interne visible. Ce sont d’abord les quarks. Ces drôles de corpuscules ont été baptisés en 1963 par l’Américain Murray Gell-Mann (prix Nobel 1969) qui a tiré leur nom, du roman iconoclaste Finnegans Wake de James Joyce. Mais les quarks sont bien réels. En 1968, le Canadien Richard Taylor et les Américains Henry Kendall et Jérôme Friedman ont apporté la preuve de leur existence à l’accélérateur linéaire de Stanford en Californie (Nobel 1990). La famille des quarks s’est depuis agrandie. Elle compte six membres : "haut", "charme" et "sommet" portent une charge électrique positive égale aux 2/3 de la valeur absolue de celle de l’électron ; "bas", "étrange" et "beauté" sont dotés d'une charge -1/3 dans ce système d’unité. Seuls les quarks "haut" et "bas" participent à la matière usuelle que nous côtoyons. Leurs quatre autres compères sont de nature beaucoup plus exotique. On ne les rencontre qu’au laboratoire ou dans les rayons cosmiques.

Surtout, les quarks se distinguent par le fait qu’ils représentent les seules particules élémentaires sensibles à l’interaction forte, responsables de la cohésion des noyaux atomiques.

À côté des quarks, six autres particules complètent le modèle standard. On les baptise "leptons" en raison de leur relative légèreté. L’électron est associé à une sorte de compagnon non chargé : le neutrino électronique. De même, le lepton mu (ou muon) est associé à un neutrino mu ou muonique. Le tau est associé à un neutrino tau ou tauique.

L’important est de constater qu’il existe une harmonie, "symétrie", entre les membres de la famille quarks et leurs cousins leptons. Quarks et leptons se divisent en trois générations successives qui se correspondent, de manière profonde, depuis les débuts de l’Univers. La première génération est la plus importante. Les quarks "haut" et "bas" communiquent avec l’électron et son neutrino. Ensemble, ils expliquent toute la matière ordinaire : les 92 "corps purs" des chimistes et même les éléments radioactifs, instables. Les trois neutrinos (électronique, mu ou tau) correspondent à un type de particules très particulier, insaisissables, "fantômes" ou "passes murailles". Ils interagissent très peu avec leur environnement. Du coup, ils traversent sans encombre une planète telle que la Terre. En 1930, l’Autrichien Wolfgang Pauli, futur Nobel 1945, avait été conduit à postuler l’existence du neutrino électronique. En 1933, l’Italien Enrico Fermi (Nobel 1938) lui a donné son nom de baptême "petit neutre". Depuis, les neutrinos mu et tau ont garni les rangs.

En savoir plus : Supersymétrie

Les douze particules de matière sont dotées d’un nombre quantique de rotation, «spin» en anglais, égal à 1/2. Ceci implique qu’elles obéissent à une statistique qui interdit de confiner des particules identiques (indiscernables) dans un même état et dans un volume d’espace restreint. Pour cette raison, les fermions sont dits associables ou mutuellement impénétrables.

Par ailleurs, chaque particule de la nature possède une antiparticule de masse identique et de charge électrique opposée. Ce qui porte en tout à 24 le nombre réel de particules élémentaires.

Les forces
Avec les douze particules de base et leurs antiparticules, la description de l’Univers est complète. Cependant, il reste à définir les quatre forces d’interactions fondamentales qui agissent dans la nature : c’est par elles que la matière peut se transformer et évoluer sous nos yeux. Elles sont associées à des particules messagères qui propagent leur influence.

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L’interaction nucléaire forte
Cette force attractive intense s’applique aux quarks constitutifs des protons et des neutrons. Elle est responsable de la cohésion des noyaux atomiques. Grâce à son action stabilisatrice, les noyaux porteurs de charges électriques positives n’explosent pas sous l’effet de la force répulsive résultante. Les particules messagères sont les gluons (il en existe huit). Les quarks portent des "charges de couleurs" qui caractérisent la force forte.

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L’interaction électromagnétique
Elle résulte à la fois des effets des forces électriques et magnétiques. Celles-ci sont réunies en une seule description depuis 1873 et les travaux synthétiques de l’Écossais James Clerk Maxwell (1831 – 1879). La force électromagnétique s’applique entre les objets qui portent une charge électrique non nulle. La particule messagère est le photon. Elle correspond au rayonnement ou ondes suivantes : radio, micro-onde, infrarouge, lumière visible, ultraviolet, rayons X et gamma.

- L’interaction nucléaire faible
Elle explique certaines désintégrations radioactives ainsi que la luminosité du Soleil. Sa signature passe par les neutrinos. Les trois messagers W+, W- et Z0 ont été observés au Cern au début des années 1980, sur le collisionneur proton-antiproton. Cette découverte a valu le prix Nobel 1984 à l’Italien Carlo Rubbia et au Néerlandais Simon van der Meer. W et Z ont ensuite été caractérisés en détail, de 1989 à 2000, au Large Electron Positron (LEP) Collider du Cern.

- L’interaction gravitationnelle
Des quatre forces fondamentales de la nature, la force de gravité est la seule que l’on perçoit tous les jours à l’échelle humaine. Elle s’applique à l’Univers dans son ensemble. Inversement, cette interaction est parfaitement négligeable au niveau de l’atome et des particules. Le Britannique Isaac Newton a énoncé la loi de gravitation universelle en 1687. Plus tard, en 1916, la relativité générale d’Albert Einstein devait la supplanter. Depuis, les ondes gravitationnelles et le graviton messager sont très activement recherchés.

En savoir plus : Vers les ondes gravitationnelles et le graviton?

Dans ce cadre, les physiciens ont été conduits à définir la sensibilité des particules vis-à-vis des quatre interactions, les forces de la nature. Ceci se fait par l’introduction d’un concept de charge étendu et généralisé. Ainsi, une particule quelconque est amenée à porter non seulement sa charge électrique habituelle mais aussi une charge de «masse» qui caractérise son inertie et l’intensité de la force de gravité. La charge liée à l’interaction nucléaire forte, elle, est baptisée du nom évocateur de "couleur". Ce n’est qu’une analogie. Elle correspond à ce que les nucléons (neutrons ou protons) se composent chacun de trois quarks dotés de "couleurs" primaires complémentaires. De sorte, que la charge résultante est neutre, et la "teinte" de l’ensemble "blanche". La charge caractéristique de la sensibilité à l’interaction faible s’appelle spin isotopique ou «isospin».

Au-delà ? Une recherche très ouverte
À ce stade, le modèle standard répond à de nombreuses interrogations. Au point que certains y voient "le plus bel édifice de la pensée humaine". Toutefois, d’autres questions surgissent immédiatement. Les particules sont-elles bien élémentaires et sans dimension? Pourquoi se rangent-elles en trois catégories avec des gammes de masse aussi larges ? Pourquoi la matière a-t-elle pris le pas sur l’antimatière ? Et de quoi se composent les 95% de matière exotique (non baryonique) qui hantent le cosmos à grande échelle ?

Pour déstabilisantes qu’elles sont, ces questions fondamentales trouveront peut-être un élément de réponse avec la résolution du problème de l’émergence et de l’attribution des masses. Là encore, une nouvelle particule sous-jacente au modèle standard, le boson de Higgs, du nom du physicien écossais Peter Higgs qui l’a invoquée en 1964, doit faire irruption. Si tout va bien, elle se manifestera au Grand collisionneur de hadrons le LHC (Large Hadron Collider) à partir de 2007. D’ailleurs un signe avant-coureur avait peut-être été détecté au LEP juste avant sa fermeture. Ce point reste à confirmer. Le suspens bat son plein…

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

À plus long terme, dans le secret de leur laboratoire, les physiciens caressent le rêve de réunir en une seule description - la "superforce" - les quatre interactions qui régissent la nature. Les motivations sont tout autant esthétiques que scientifiques. Guidés par leur instinct, les spécialistes soupçonnent qu’à des périodes reculées dans l’histoire de l’Univers les quatre forces représentaient autant de facettes d’une même pièce. Le chemin sera long avant de parvenir à cette vision unifiée du monde. L’itinéraire passe sans doute par un zoo de particules "supersymétriques", des concepts de "cordes" ou "supercordes" alliées à des dimensions supplémentaires, cachées, de l’espace… Ces objets à ce jour inobservés soulèvent pourtant des espoirs très prometteurs. Selon les idées les plus audacieuses, le Grand collisionneur de hadrons (LHC) pourrait se révéler le théâtre de l’apparition de "micro-trous noirs" évanescents qui s’évaporeraient aussitôt produits à haute énergie…. Depuis l’Antiquité, l’imagination est au pouvoir, elle ne s’essouffle pas.


Pour en savoir plus :

L'héritage des colisionneurs LEP et Tévatron
Patrick Janot (CERN) et Jean-François Grivaz (LAL) - Article paru dans Images de la physique 2005

Le modèle standard : une théorie géométrique des interactions fondamentales
Jean Illiopoulos (Laboratoire de physique théorique) - Article paru dans Images de la physique 2005

Les enjeux du nouveau collisionneur LHC
Philippe Schwemling (Laboratoire physique nucléaire et hautes énergies) - Article paru dans Images de la physique 2005

Mesure de la déformation d'un noyau exotique aplati comme une citrouille
Communiqué de presse CNRS / CEA du 1er septembre 2005.


Les quarks étranges, fugitifs constituants des protons
Communiqué de presse du CNRS du 20 juin 2005.

Dans l'intimité de la matière
Le journal du CNRS, numéro 182, mars 2005.

Dream Beam : un nouvel accélérateur de particules
Communiqué de presse CNRS du 15 octobre 2005.

Les muons : de l'exotisme dans la chimie des particules
Communiqué de presse CNRS du 22 juillet 2004.

Un ordinateur surpuissant pour dévoiler les secrets de la matière
Communiqué de presse CNRS du 1er juillet 2004.

Déterminer la masse du quark top pour approcher le boson de Higgs
Communiqué de presse CNRS du 10 juin 2004.

Conférence internationale Neutrino 2004 : une particule longtemps énigmatique en passe de livrer ses secrets
Communiqué de presse CNRS du 27 mai 2004.