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La physique quantique &
L'univers des particules élémentaires (I) Je m'étonne à chaque fois que je consulte la liste des prix Nobel. Tout au long de l'existence de la prestigieuse Académie suédoise des sciences, il ne s'est pas écoulé une année sans qu'une découverte fondamentale ne soit faite en physique. L'inventivité, l'acharnement et la patience des hommes est phénoménale. Leur travail soutenu mérite notre respect et notre attention. Nous sommes également
quelque part complice de cette aventure. Nous utilisons leurs découvertes
pour faire de nouvelles hypothèses et pour créer de nouveaux outils qui
feront progresser la science. Sans leurs travaux, Platon aurait encore
voix de citer. Mais au fait, que disait-il à propos de l'univers et de la
matière ? Les conceptions actuelles de l'univers ont trouvé leur fondement en Grèce à l'époque d'Empédocle, au Veme siècle avant Jésus-Christ. Sur ces traces, Platon affirmait que le feu, l'air, l'eau et la terre étaient les quatre éléments fondamentaux du milieu spatial[1]. Chacun était représenté par une figure géométrique, un polyèdre régulier plus ou moins complexe dont les combinaisons étaient capables de produire les "phénomènes de génération", les substances les plus complexes. "Ces quatre éléments de base étaient si petits, disait Platon qu'ils ne pouvaient être perçus individuellement. Au contraire lorsqu'ils se groupent, les masses qu'ils forment deviennent visibles. [...] tout ce qui touche leurs rapports numériques [...] est réalisé par dieu de façon exacte, qui a ainsi harmonisé mathématiquement les éléments" [2]. A ce propos, Werner Heisenberg s'était étonné en 1955 que cette représentation géométrique et mathématique de la cosmologie avait été conservée jusqu'à aujourd'hui, bien que sous une forme très évoluée. On continue en effet à utiliser des figures géométriques en physique moderne et l'on tient compte de considérations mathématiques, de symétrie, etc pour tenter de représenter le Monde. Mais le modèle de Platon n'était
pas parfait. L'eau, l'air et le feu pouvaient se transformer les uns dans
les autres mais pas la terre qui pouvait se décomposer. Aristote, le
meilleur élève qu'il ait eu soutenait dans sa critique[3]
que
son maître devait accepter "de soumettre tous les éléments à
la génération mutuelle à partir de la dislocation des surfaces. Car ce
qui est rationnel relève aussi de l'expérience sensible". Platon restait
impuissant à expliquer le rapport des surfaces ou des volumes des formes
géométriques différentes du cube. Son modèle cosmologique fonctionnait
quasiment bien en deux dimensions, mais dans l'espace il devait faire
appel au démiurge[4].
L'expérimentation étant encore à ses balbutiements, les mathématiques
étaient primitives et les outils de mesures ne disposaient pas encore d'étalon
de référence. Dans ces conditions, il n'est pas exagéré de dire que
jamais Platon n'a soumis ses théories au verdict de l'expérience comme
l'aurait souhaité Aristote.
A la même époque, le philosophe grec Démocrite considérait déjà que la matière était constituée d'atomes qui se déplaçaient dans le vide de façon mécaniste. Son intuition ne sera reconnue que... 2200 ans plus tard par Lavoisier. Cette similitude entre les théories grecques et contemporaines est étonnante et on retrouve dans le "Timée" de Platon plusieurs expressions qui supportent la comparaison avec nos théories actuelles. L'intuition de ce génial philosophe nous guidera longtemps. De nos jours, grâce à l'invention des accélérateurs de particules, des cyclotrons, synchrotrons et autres collisionneurs, les physiciens ont très vite assimilé la méthode de travail qui leur permettait de découvrir de nouvelles particules élémentaires et d'expliquer le comportement étrange de certains noyaux. En fait, à partir des traces photographiques des particules, de leurs effets électriques, de leur diffusion angulaire et de la répartition des énergies, les physiciens peuvent déterminer le poids relatif des particules et déduire les propriétés des structures qui ont provoqué ces processus. La méthode est très complexe. En une quarantaine d'année, sur quelque 9000 noyaux pouvant théoriquement être créés - isotopes et isotones compris - quelque 2000 ont été étudiés, parmi lesquels 92 seulement sont des noyaux naturels, les 83 premiers étant stables sur Terre. Tous les autres éléments sont instables. En bombardant ces structures avec des énergies de plusieurs milliards d'eV[5], ils ont pu découvrir plus de 200 particules et 8 formes de noyaux tout à fait aberrantes, des noyaux dits "exotiques" ayant la forme prolate, de poire, etc.
En étudiant les débris du Big Bang, les physiciens ont pu regrouper les particules en un certain nombre de familles. D'un autre côté, grâce aux accélérateurs de particules, théoriciens et expérimentateurs connaissent à présent les énergies requises pour créer la matière[6]. Taxonomie quantique Pour comprendre la vocation des physiciens[7] et comment surgissent les découvertes en physique des particules, il est nécessaire de se pencher tout d'abord sur la "taxonomie quantique". Cela n'a rien à voir avec la taxidermie chère aux zoologistes de nos musées de sciences naturelles. C'est la science de la classification qui nous permet de définir les variétés de particules et les familles auxquelles elles appartiennent. Ce classement est nécessaire car il permet de mieux saisir les raisons pour lesquelles un physicien émet une nouvelle hypothèse, croit par exemple en l'existence d'une nouvelle particule ou s'acharne vingt heures par jour à réaliser une expérience répétitive a priori marginale.
Avant d’aborder les théories de symétries qui nous permettront de comprendre les propriétés de la matière et d’étudier la genèse de l'univers, de nombreuses questions se posent encore à propos de la structure de la matière et des conceptions formelles qui tentent de la parquer sous forme de modèles. Chacun sait qu'il n'existe pas qu'une seule méthode pour classer les objets de façon hiérarchique. Toute classification a un sens car si l'automobile est un moyen de transport, l'avion l'est aussi mais en plus il peut voler. Ce véhicule pourrait donc également être classé à la rubrique aéronautique. La question est donc de savoir où doit-on classer les partons de la physique : à onde ou particule ? Le débat reste ouvert. Plutôt que de concevoir un système de classement particulier, la physique quantique est peut-être l'exception dans ce domaine. Tous les phénomènes sont regroupés dans des interactions entre particules : particules réelles, particules virtuelles et même les bosons vecteurs. Quelle classification devons-nous choisir ? Nous ne pouvons pas utiliser le terme "hiérarchique" car il est trompeur dans la mesure où il suppose l'existence d'une arborescence, d'un emboîtement à l'infini, qui n'est pas fidèle à la réalité n'en déplaise à F.Capra. Cette démarche devra cependant être nuancée si nous désirons trouver une théorie unifiée qui expliquerait l'existence de toutes les particules... Nous devons plutôt considérer une classification ordonnée selon des propriétés objectives : par exemple l'énergie de repos des particules et le type d'interactions auxquelles elles sous soumises. Ces valeurs sont universelles et déterminent l'état de la matière, tant la masse, la durée de vie que l'apparentement des particules - et non pas leur filiation - avec certaines autres particules. Nos outils Quels sont nos moyens ? Il faut remonter en 1952, époque à laquelle Donald Glaser inventa un dispositif de détection des particules qui allait ravir des promotions de chercheurs : la chambre à bulles. Dans le même esprit que la chambre à brouillard sursaturée, il s'agit d'une enceinte fermée et remplie d'hydrogène liquide sous pression. Au passage d'une particule chargée, un dispositif déclenche la détente de la pression qui règne dans la chambre, provoquant la libération d'ions par arrachement des électrons. Cette ionisation amorce la formation de petites bulles tout le long de la trajectoire de la particule. Ces bulles sont ensuite éclairées et photographiées pour permettre d'identifier la trace. Ensuite on inventa une quirielle de détecteurs toujours plus sophistiqués comme la petite chambre multifils de Charpak, le scintillateur à Iodure de Césium (équipant le multidétecteur INDRA) et tout récemment Atlas intégré au projet du LHC (Large Hadron Collider ou Grand Collisionneur de Hadrons). A lire sur le blog : Une collision de 7 TeV au CERN (2010) La nouvelle génération d'accélérateurs de particules (2009) Le LHC a été inauguré au CERN (2008)
Si la "chambre à bulle" permet de tracer le passage des ions et donc de suivre la trajectoire d'une particule, Atlas est beaucoup plus ambitieux. Il tire profit de détecteurs spécialisés, les uns sensibles aux photons ou aux électrons, les autres aux jets de particules hadroniques ou encore aux mésons émis et lancés à grande vitesse dans les accélérateurs de particules. Ici également, les signaux émis lors des expériences sont transmis à des ordinateurs qui reconstruisent les trajectoires et effectuent les premières mesures, comme dans cet exemple spectaculaire de collision frontale vue de profil entre deux faisceaux d'or de 30 milliards d'électrons-volts dans le détecteur STAR du collisionneur à ions lourds du BNL. Pour ceux et celles d’entre vous qui visiterez peut-être le CERN à Genève, la direction a exposé une monumentale chambre à bulle dans la plaine qui entoure le site. C’est presque devenu un lieu d’architecture industrielle ! Aujourd'hui, grâce au LHC, le CERN dispose de l'une des plus grandes installations d'étude des particules au monde, juste derrière le Fermilab installé aux Etats-Unis, près de Chicago. Tellement sollicité, le LHC devra trouver une méthode pour stocker les informations recueillies au cours des expériences. D'ores et déjà le CERN estime que la quantité de données produites en un an sera équivalente à 0.1% de la quantité de données mondialement produites, tous supports confondus (papier, numérique, vidéo, audio, etc.). Aucun support de masse disponible sur un superordinateur ne peut stocker une telle quantité d'information. La solution repose sur un réseau distribué mondialement dont le coeur sera au CERN : le DataGrid. Ici, on parle de vitesse de traitement atteignant quelques....Petaflops (1000 TFlops), un ordre de grandeur 100 fois supérieur à SETI@home ou LHC@home ! Fort de ces théories et équipé de ces moyens techniques très élaborés, le physicien peut enfin essayer d’unifier tous les champs au sein d’une théorie unificatrice. L’idée d’unification est dans l’air depuis les années 1930, lorsque Einstein et Heisenberg annoncèrent séparément leurs intentions à ce sujet. Einstein était encouragé par les succès de la théorie de la relativité générale et recherchait une voie similaire pour décrire les champs quantiques des particules. Le but avoué de Heisenberg était plus limité, cherchant à décrire les nucléons (les protons et les neutrons) et les fermions (les électrons et leurs partenaires). Voyons quelles ont été les principales étapes de cette quête encore inachevée et ce que les physiciens ont déjà découvert. A
consulter : Fundamental
Physical Constant Les dernières valeurs des constantes de la physique Fermions et bosons En 1961, Murray Gell-Mann de Caltech et indépendamment de lui Yuval Ne'eman de l'Université de Tel Aviv inventèrent la théorie de symétrie en transposant la théorie des groupes de Lie à la physique des particules. L'idée de Gell-Mann et Ne'eman était de restaurer l'unité du Monde dans la simplicité. Pour classer et manipuler la matière, ils découvrirent que la théorie des groupes leur permettait de prédire toutes les transformations et échanges qu'il était possible de réaliser entre des particules ou leurs vecteurs. De façon à regrouper les particules en familles, ils les disposèrent dans des tableaux synoptiques, lesquels révélaient certains symétries internes. Mais si la symétrie pour le groupe choisi était bien respectée, toutes les particules représentées n'avaient pas la même masse[8].
Pour expliquer cette différence, quelques années plus
tard M.Gell-Mann et G.Zweig proposèrent que les particules qui
composaient la matière, les hadrons, étaient constitués de particules
élémentaires chargées appelées quarks[9].
Leur théorie se développa dans les années 1970 et fut bientôt dénommée
le Modèle Standard. Dans ses touts premiers papiers Gell-Mann avait suggéré que les quarks étaient des entités "mathématiques” plutôt que des particules réelles. Il fit cette distinction parce qu'il croyait qu'il serait impossible de les isoler et de les détecter individuellement. De l’aveu même de Gell-Mann, il ne désirait pas discuter avec les philosophes qui le cas échéant lui auraient certainement demandé ce qu'il entendait par "la réalité". Mais contrairement à ce que de nombreux auteurs ont écrit, Gell-Mann cru dès le début en l'existence des quarks. A l'heure actuelle il n'a pas encore été possible de localiser ces particules élémentaires, bien que les théoriciens peuvent déjà estimer leur niveau d'énergie comme nous le verrons plus loin. Leurs forces ont pu être déduites par Gell-Mann à partir des collisions entre particules réalisées dans l'accélérateur linéaire du SLAC en 1969. Deux ans plus tard, quatre physiciens du même laboratoire démontrèrent que le proton avait une structure : en fonction de l'énergie libérée dans la collision, les particules diffusèrent sur le noyau, sur les protons ou sur des sous-structures plus petites encore, confirmant l'existence des quarks. Gell-Mann divise les particules en deux classes : les fermions, qui regroupent hadrons et leptons, déjà cités pour obéir au principe d'exclusion de Pauli et les bosons. Les fermions représentent la "matière", laquelle est soumise aux quatre interactions fondamentales par l'intermédiaire des bosons. Quarks, leptons et bosons sont des particules élémentaires. Parmi les bosons seuls le photon et probablement le graviton ont une durée de vie infinie. W et Z se désintègrent en une fraction de seconde, tandis que les autres vecteurs font encore l'objet de discussions. Les hadrons et les leptons ont une durée de vie qui oscille entre 10-17 sec et 925 sec (neutron), après quoi ils se désintègrent. Seul le proton aurait une durée de vie quasi infinie. Nous y reviendrons en détail. Prochain chapitre Les hadrons : baryons et mésons
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