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L'Univers inflationnaire La masse des particules (II) Comment expliquer que certaines particules soient massives et que d'autres comme le photon n'aient pas de masse de repos ? La question étant d'importance mais complexe elle requiert une analyse détaillée. Cette question du ressort des physiciens des particules élémentaires. La description des interactions s'explique au moyen de champs vectoriels mais les bosons vecteurs de ces interactions n'ont à l'origine pas de masse et leur portée est infinie. Si cela s'applique très bien au photon, vecteur de l'interaction électromagnétique, ce modèle ne s'applique pas aux 14 autres bosons connus (auxquels il faut ajouter 12 bosons X et Y, les fameux et hypothétiques leptoquarks de masse supérieure à 1015 GeV dont la charge électrique est fractionnaire). Rappelons que les interactions permettent de décrire la création de particules lors de collisions à hautes énergies notamment. Ces lois conservent les énergies de la réaction. Le boson Z° par exemple peut se transformer indifféremment en quarks et leptons, les deux familles de particules élémentaires qui forment la matière, chacune apparaissant par paire avec son antiparticule (quark u et antiquark u, électron et positron, etc). La création du boson Z° massif est donc une condition initiale sine qua non de la "matérialisation" de notre univers.
Ainsi que l’avaient démontré Yang et Mills, les équations prédisaient que les bosons W et Z° de l'interaction faible étaient très lourds. Comme l'on dit en physique quantique, ils n'obéissaient pas aux lois de symétrie. Comment dame Nature les avait-elle alourdit ? Les physiciens comprenaient bien que ni les gluons ni aucune autre particule sans masse ne pouvaient pas d'eux-mêmes provoquer une brisure de symétrie et acquérir leur masse. Il fallait donc amender la théorie des particules élémentaires et tenir compte d'un second mécanisme que les cosmologistes ont vite récupéré. L'idée était qu'un boson vecteur devait interagir avec le champ scalaire d'un boson de spin égal à 0, le boson de Goldstone Z°, afin de briser spontanément la symétrie et donner notamment leur masse aux particules. Mais cette explication devait surmonter plusieurs difficultés. Point essentiel, cette théorie devait s'intégrer dans le modèle Standard des particules élémentaires et ses prédictions vérifiables sinon cette théorie perdait toute crédibilité et rejoindrait toutes les autres idées utopiques. Autre problème important, le fait que la symétrie se brisa spontanément devrait logiquement impliquer que l'énergie du vide quantique n'était pas nulle. Si c'était le cas, aucun processus quantique ne pourrait en "émerger". En d'autres termes, le vide quantique devrait potentiellement avoir une énergie colossale. Un autre problème était qu'en partant d'une invariance de jauge globale, les modèles mathématiques prédisaient que la théorie électrofaible devait prévoir au moins un boson intermédiaire sans masse, Z°. Or l'interaction faible n'a qu'une portée finie, Z° présentant une énergie de masse voisine de 91 GeV, presque 100 fois supérieure à celle du proton. Enfin, par définition un seul état d'énergie minimale ne permet pas de briser une symétrie. Heureusement cette particule est capable de provoquer un spectre d'états d'énergie minima. Mais le gros défaut de cette théorie est la portée infinie du boson Z°. Il fallait absolument la contraindre à l'échelle de Fermi sinon la théorie devait être abandonnée.
Les physiciens se sont alors reportés sur une symétrie de jauge locale, recherchant une loi agissant en chaque point de l'espace-temps. Comme par enchantement, le boson de Goldstone se voit "absorbé" par un boson de Yang-Mills et celui-ci acquiert une grande masse, ce qui limite son influence à l'échelle atomique. Forts enthousiastes, les physiciens tenaient là un début de solution. Cette théorie était séduisante mais loin d'être parfaite. Il restait d'autres difficultés. La théorie de l'EDQ n'était renormalisable qu'à la condition que la masse du photon soit nulle. Or les bosons massifs W et Z vecteurs de l'interaction faible rendaient impossible toute renormalisation (technique permettant de nettoyer les valeurs infinies des équations par exemple sur base expérimentale). Le modèle proposé par
Glashow, Salam et Weinberg devait donc en tenir compte, ne fut-ce que dans
un mécanisme secondaire qui briserait la symétrie entre
l'électromagnétisme et l'interaction faible. Enfin, les théories de symétrie
calculaient avec des champs scalaires, des valeurs pures, bref des
particules sans masse (le modèle de Bludman), ce qui n'était pas
conforme à la réalité. Le mécanisme secondaire invoqué était une symétrie interne de la dynamique quantique électrofaible (de saveur) dans laquelle agissait une nouvelle force capable de créer des particules de masse non nulles, les bosons, sans introduire de termes infinis, c’est-à-dire tout en étant renormalisable. Les mécanismes de Higgs A partir de 1964, le physicien écossais Peter Higgs de l'Université d'Edimbourg et ses collègues Robert Brout, François Englert et Edgard Gunzig mirent au point cette théorie qui sera baptisée les "mécanismes de Higgs". En 1971, Gerhard ’t Hooft de l’Université d’Utrecht démontra que la théorie de Yang-Mills pouvait briser sa symétrie tout en étant renormalisable. Cette hypothèse suppose l'existence de champs de Higgs sensibles à la densité d'énergie. Mais cette théorie à des conséquences importantes.D'abord, les mécanismes de Higgs impliquent que tout l'univers devrait contenir des bosons de Higgs, la masse des particules dépendant de la manière dont elles interagiraient avec le vide quantique. En effet, cette théorie implique qu'en réalité les particules sont sans masse mais entreraient continuellement en collision avec des bosons de Higgs, leur conférant une inertie apparente matérialisée par une certaine masse. Seul problème, les bosons de Higgs n'ont jamais été observés. Cela pose un problème fondamental car toute la théorie repose sur leur existence. Et comme nous le savons tous, une théorie invérifiable perd toute crédibilité. Ceci dit, l'une des missions des accélérateurs du LHC du CERN et du Tevatron du Fermilab consiste justement à tracer ce fameux boson de Higgs sur lequel repose le modèle Standard. En admettant que ce boson de Higgs existe, la théorie devient cohérente. Si un boson de Higgs interagit avec un boson W-, W+ ou Z° par exemple, celui-ci acquiert une masse tandis que sa durée de vie est écourtée, passant de l'éternité à... 10-24 sec. Les particules qui n'interagissent pas avec le champ scalaire restent lumière, comme c'est le cas du photon; il vit éternellement. Mais ce n'est pas pour autant que le photon est inactif. Contenant de l'énergie il peut interagir avec des particules en créant ou en décomposant la matière.
Un univers en surfusion Mais d'autres problèmes d'ordre cosmologique restaient en suspens. Le pas crucial dans le développement de la théorie inflationnaire fut réalisé en 1978 par le physicien Alan Guth spécialiste des monopôles au MIT. Il se demanda pourquoi l’Univers ne s’était pas effondré directement après le Big Bang ? Il calcula en effet que si les hypothétiques monopôles avaient été aussi nombreux que les protons, l’attraction gravitationnelle aurait entraîné l’effondrement de l’Univers au bout de 6000 ans ! Pour entraver la production des monopôles, Alan Guth imagina un mécanisme équivalent à celui de la surfusion. Fin 1979, il discuta de son idée en compagnie de Henry Tye et Sidney Coleman et il finit par découvrir que la surfusion avait dû se produire à une température de 1027K, époque qui vit la première brisure de symétrie. La phénoménale énergie qui fut libérée pendant cette phase inflationnaire permit de créer des particules. Ce scénario explique la platitude de l’Univers, l’isotropie du rayonnement fossile et l’éparpillement des monopôles. Alan Guth[5] écrivit à ce propos : "Quelles que soient pratiquement les conditions initiales, l'Univers inflationnaire évolue précisément vers l'état qu'il devait assumer initialement dans le modèle standard". Physiquement parlant, nous savons que le bilan énergétique de
l'Univers est nul mais que les particules virtuelles, alliées du vide
quantique peuvent avoir des effets dans le monde réel. Les relations
d'incertitudes garantissent néanmoins ce bilan énergétique en limitant notre approche.
Si
nous essayons de créer des particules élémentaires dans les
accélérateurs modernes, nous découvrons que la durée de vie de ce
processus doit être extrêmement courte, de l’ordre de 10-32
sec pour respecter les relations d’incertitudes de Heisenberg. Les
particules qui peuvent exister durant ce court laps de temps sont des
objets virtuels, des particules de matière et d'antimatière qui
effleurent à la surface du monde, ayant juste le temps de réaliser une
réaction avant de disparaître dans les profondeurs du potentiel
d'énergie quantique. Ce bref instant suffit à créer les quarks, les
neutrinos et les électrons. Mais comment formaliser cette idée et
surtout quelle théorie pouvons-nous inventer pour concevoir un tel
scénario ? Autour d'Alan Guth[6],
les physiciens Andreas Albrecht du Fermilab et Paul Steinhardt alors à Stanford ont imaginé un scénario où l'Univers,
plus petit qu'un proton était dans une "phase de transition".
Par analogie, l'eau gelée présente une structure cristalline bien précise
et doit libérer une certaine énergie, la chaleur latente. Si l'eau est
impure ou salée, elle peut rester liquide sous zéro degré et un choc
suffit à la faire changer d'état, c'est l'état de surfusion. L'Univers
a pu connaître une époque semblable lorsqu'il atteignit un seuil
critique de température, 10-43
sec après le Big Bang. Les
champs de Higgs permettent à ce qui n'est pas encore tout à fait de la
matière d'être dans un état similaire
à celui de la surfusion. Guth propose que certaines régions de l'Univers
qu'il appelle des "bulles", formées au temps de Planck étaient
10000 K plus froide que le milieu ambiant, dans un état de faux vide, c’est-à-dire
que si le vide a par définition une pression nulle, les bulles doivent
avoir une pression, ou plus exactement une densité d'énergie (de masse)
négative, ce qui représente une énergie potentielle phénoménale. Prochain chapitre
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