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 que nous ferons dans le dossier consacré à la physique quantique. Cette question est en effet 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 tout d'abord que les interactions permettent de décrire la création de particules lors de collisions à hautes énergies. 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 interagissait avec le champ scalaire et de spin égal à 0 qui se caractérisait par une seule quantité : le nombre d'état de spin.

Cette explication devait surmonter plusieurs difficultés. Le fait que la symétrie se brisa spontanément devait 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 devait 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. Autre contrepoint, 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 de Goldstone, Z°. Il fallait absolument la contraindre à l'échelle de Fermi.

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 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 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 masses (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.

La création des particules de Higgs Production de particules de Higgs entre hadrons et leptons. A gauche la transformation d’un quark bottom (b) en quark étrange (s) avec production d’une paire de muons m-m+. Cette décroissance requiert un courant neutre véhiculé par une hypothétique particule de Higgs, H°. A droite l'annihilation d’une paire de quarks u-anti u avec production d’un boson Z° qui produit un boson de Higgs H° tandis que l’énergie restante crée une paire de muons m-m+. Document T.Lombry.

A partir de 1964, le physicien écossais Peter Higgs de l'Université d'Edimbourg mis au point avec ses collègues R.Brout, F.Englert et E.Gunzig cette théorie : il s'agissait des "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.

Concrètement, en remplissant tout l'univers, les champs scalaires ont marqué leur présence en affectant les propriétés des premières particules élémentaires. Si un champ scalaire interagit avec un boson W^-, W⁺ ou Z° par exemple, ceux-ci acquièrent une masse tandis que leur 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.

Les mécanismes de Higgs

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 dût 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

La détente du faux vide