Les scientifiques ont découvert que toute la matière de l'Univers est faite d'un petit nombre de constituants de base appelés particules élémentaires, régis par quelques forces fondamentales.
Certaines de ces particules sont stables et forment la matière normale, les autres n'existent qu'une fraction de seconde et se désintègrent en particules stables. Toutes ont coexistées pour un bref instant après le Big Bang.
Depuis lors, seule l'énorme concentration d'énergie qui peut être atteinte dans un accélérateur au CERN peut les faire renaître. Ainsi, étudier les collisions de particules revient à "regarder dans le passé", en recréant l'environnement présent à l'origine de l'Univers.
Dans quel but? Pour comprendre la formation des étoiles, de la terre, de tout ce qui nous entoure et, finalement de nous-mêmes!
Briques de l'univers: Les constituants de base de la matière
L'idée selon laquelle la matière serait faite de 'briques' fondamentales date d'au moins 2000 ans! Les briques étaient supposées simples, sans structure et non elles-memes composées de quoi que ce soit de plus petit.
"... la nature des choses perceptibles consiste en petites particules infinies en nombre ... les particules étant si petites qu'elles nous sont invisibles, et elles se présentent sous une infinité de formes et de tailles. C'est à partir de leur combinaison et de celle des éléments que naissent les corps visibles et perceptibles ..."
~ 450 av. J.C. Democrite
Nous savons aujourd'hui que toute la matière de l'univers est faite à partir d'une centaine de types (lien au tableau periodique des elements) d'atomes, chacun d'entre-eux étant fait d'électrons de charge électrique négative en orbite autour d'un noyau chargé positivement. Le noyau, lui-même, est constitué de nucléons: des protons positifs et des neutrons neutres.
Les physiciens appellent ces composants de la matière des particules.
L'électron ne semble pas avoir de structure interne. Les protons et les neutrons sont des particules composites, chacune contenant trois quarks . Comme l'électron, les quarks apparaissent sans structure. Seuls deux types de quark, appelés "up" et "down", sont nécessaires pour construire le proton et le neutron.
Une autre particule sans structure doit être ajoutée pour compléter le tableau: une particule neutre et très légère appelée neutrino . Elle joue un rôle vital dans les réactions qui transforment des protons en neutrons et vice versa. De telles réactions permettent à la matière de conserver la forme stable sous laquelle nous l'observons, et sont également importantes pour l'alimentation du soleil et d'autres étoiles.
Ces quatre particules sont tout ce dont nous avons besoin pour construire la matière ordinaire qui nous entoure!
En fait, il existe des formes moins "ordinaires" de la matière que nous ne pouvons pas voir: matière cosmique venant de l'espace, matière de haute énergie que nous créons dans notre laboratoire et leurs "images miroir", l'antimatière.
Pour les inclure dans un cadre cohérent, nous avons besoin d'une description plus générale (lien au model standard) et d'autres particules.
Matière cosmique
Quelques "rayons cosmiques" traversent notre corps chaque seconde de chaque jour, où que nous soyons.
Il s'agit de particules créées lorsque des noyaux atomiques de haute énergie (essentiellement des protons) en provenance de l'espace entrent en collision avec des atomes de la haute atmosphère terrestre. Ces particules sont non seulement des électrons, des protons et des neutrons, mais aussi d'autres sortes de particules..
Près du sol, les rayons cosmiques incluent des muons, semblables aux électrons mais 210 fois plus lourds. Contrairement aux électrons, qui sont éternels, un muon ne vit qu'environ 2.2 microsecondes, après quoi il se transforme en un électron et deux neutrinos (neutrino-électron et neutrino-muon; versions neutres et ultra légères de l'électron et du muon).
Les muons eux-mêmes résultent principalement de la désintégration d'autres particules de courte durée de vie. Certaines de ces particules, appelées pions, sont faites de quarks up et down. Cependant, d'autres (kaons) contiennent un troisième type de quark, appelé le quark étrange.
Ainsi la matière cosmique est formée de plus de composants que les atomes. En plus de l'électron, du neutrino-électron, des quarks up et down, nous avons besoin du muon, du neutrino-muon et du quark étrange.
Matière de haute énergie
Il est difficile de travailler sur les rayons cosmiques: ils arrivent de façon imprévisible de toutes les directions et avec des énergies différentes. La seule façon d'étudier des particules avec des hautes énergies comparables, mais de façon mieux contrôlée, est d'utiliser des accélérateurs.
Grâce aux accélérateurs, des expériences ont trouvé de nouvelles particules fondamentales à courte durée de vie. L'une des premières à avoir été découverte fut une troisième particule chargée comme l'électron et le muon, mais 3550 fois plus lourde que l'électron. Cette nouvelle particule, appelée le tau, ne vit que pour un tiers de millionième de millionième de seconde (0.3 x 10-12 s). Il se transforme ensuite en un électron ou un muon, ou même en une particule appelée pion, toutes plus légères que le tau. Quelle que soit la façon, il produit toujours en même temps son homologue neutrino, le neutrino-tau.
D'autres particules sont produites lors de collisions à hautes énergies, mais elles ne sont pas fondamentales puisque composées de quarks. Des particules lourdes, par exemple, incluent des quarks lourds, qui ne peuvent être produits qu'à des énergies élevées. Ces quarks supplémentaires sont appelés "charme", "bottom" et "top", ce qui porte le nombre total de quarks à six.
Antimatière
Matière et antimatière sont les opposés parfaits; pour chacune des particules fondamentales de la matière, il existe une antiparticule, pour laquelle les propriétés telles que la charge électrique, sont inversées. L'électron, par exemple, a une charge négative alors que son antiparticule, appelée le positon, a une charge positive. De même le proton chargé positivement a une antiparticule chargée négativement, l'antiproton.
Lorsque matière et antimatière se rencontrent, elles s' "annihilent" ( se détruisent mutuellement), et leur energie réapparait sous forme de photons ou d'autres paires particule-antiparticule.
Les scientifiques sont convaincus qu'à l'origine de l'univers, il y a environ 13.7 milliards d'années, des quantités égales de matière et d'antimatière furent crées. Cependant dans l'univers tel que nous le connaissons aujourd'hui, il n'y a pas d'antimatière (à part celle produite dans des collisions de hautes énergies!). Elle semble avoir disparu en totalité, laissant les scientifiques face à une des plus grandes énigmes non-résolues: qu'est devenue l'antimatière? pourquoi l'antimatière n'a-t-elle pas annihilé complètement la matière, ne laissant que de l'énergie (photons) dans l'Univers?
Colle de la nature - qu'est-ce qui maintient la cohérence de la matière?
Les particules fondamentales se lient entre elles pour former des structures de toutes tailles, depuis le proton fait de trois quarks, puis les atomes et les molécules, les liquides et les solides, jusqu'aux immenses conglomérats de matière des étoiles et des galaxies.
Elles le font par 4 interactions de base, que nous appelons forces.
La force de base qui nous est la plus familière est la gravité. C'est elle qui maintient nos pieds au sol et les planètes en mouvement autour du soleil. A l'échelle des particules individuelles les effets de la gravité sont extrêmement faibles. C'est seulement en présence d'amas conséquents de matière - comme en nous-mêmes ou dans les planètes - que la gravité domine.
Une force fondamentale beaucoup plus forte est la force électromagnétique , qui se manifeste par les effets de l'électricité et du magnétisme. La force électromagnétique lie les électrons négatifs au noyau positif des atomes, et est à la base des interactions entre atomes qui donnent naissance aux molécules et aux solides et liquides. A la différence de la gravité, cette force peut conduire à des effets d'attraction ou de répulsion. Des charges électriques opposées (positive et négative) et des pôles magnétiques opposées (nord et sud) s'attirent, mais des charges ou des pôles de même type se repoussent.
Au sein du noyau atomique et au-delà dans des structure encore plus ténues (à l'intérieur des nucléons), deux forces, qui ne nous sont pas familières, entrent en jeu: la force faible et la force forte. La force faible conduit à la désintégration des neutrons (qui est à l'origine de nombreuses manifestations de radioactivité) et permet la conversion d'un proton en neutron (responsable de la combustion de l'hydrogène au centre des étoiles).
La force forte est responsable du groupement des quarks au sein des protons, neutrons et autres particules. Elle empêche également les protons du noyau de s'écarter les uns des autres sous l'influence de la force électrique répulsive qui s'exerce entre eux (ils sont tous de charge positive!). Il en est ainsi parce qu'à l'intérieur du proton, la force forte est environ 100 fois plus intense que la force électromagnétique.
La force forte est très spéciale: elle augmente avec la distance. Par exemple, les quarks liés au sein des particules n'apparaissent jamais seuls; à mesure que l'on essaie de les éloigner les uns des autres, la force qui les unit devient de plus en plus intense. C'est à l'opposé des effets plus familiers de la gravité et de l'électromagnétisme, pour lesquels les forces s'amenuisent lorsque la distance croît.
La physique des particules aujourd'hui: le Modèle Standard
Les théories et découvertes de milliers de physiciens au cours du dernier siècle ont conduit à une description remarquable de la structure fondamentale de la matière: le modèle standard des particules et des forces.
Le modèle nécessite 12 particules de matière et 4 particules porteuses de force pour décrire tout ce que nous savons au sujet des constituants les plus fondamentaux de la matière et de leurs interactions.
Le Modèle Standard est maintenant une théorie de la physique qui a fait ses preuves, et a été utilisée pour expliquer et prédire avec exactitude une grande variété de phénomènes. Des expériences de haute précision ont, de façon répétée, vérifié des effets subtils ainsi prédits.
Toutefois, les physiciens savent que ce ne peut pas être le mot de la fin, et c'est pourquoi ils cherchent 'une nouvelle physique au delà du modèle standard" qui les conduirait à une ultime "théorie de tout".
Particules de matière
Il y a deux "familles" de particules de matière - les quarks et les leptons - toutes deux telles des points et sans structure.
Il y a six quarks,généralement groupés en trois paires selon leur propriété de masse et de charge: up/down, charm/strange, et top/bottom.
Ensuite il y a six leptons, trois avec une charge et une masse - electron (e-), muon (?) et tau (?) - et trois électron-neutrinos neutres et de très faible masse - electron-neutrino (νe), muon-neutrino (νμ) et tau-neutrino (ντ). Encore une fois, comme leur nom le suggère, ils sont groupés en trois paires (de par leur comportement distincts dans les processus de création ou de désintégration).
Les (e-/νe) et (up/down) ont la masse la plus faible et suffisent à la construction de la matière stable de l'univers. Elles forment ce qui est appelé la première génération de matière.
Cependant,elles ne sont pas suffisantes pour construire l'univers; des processus de haute énergie produisent une grande variété de particules à courte durée de vie qui requèrent l'existence de paires "plus lourdes", ou de "générations" plus lourdes de matière. Nous avons ainsi (?/?μ) et (charm/strange) qui constituent la seconde génération, tandis que (?/?τ) et (top/bottom) forment la troisième génération.
Recent results from the LEP collider at CERN and from astrophysics confirm that there can be no more generations of this type. All second and third generation particles are unstable and quickly decay into stable first generation particles. That's why first generation particles are the only ones we observe in our everyday world.
Particules porteuse de force
Le modèle standard comprend trois types de forces agissant entre particules: forte, faible et électromagnétique. La gravité n'est pas encore intégrée dans ce tableau.
Les forces s'exercent entre particules par l'échange de particules spéciales "porteuses de forces" et appelées bosons, qui transportent des quantités discrètes d'énergie d'une particule à l'autre. Chaque force a ses bosons qui lui sont spécifiques: le gluon (force forte), le photon (force électromagnétique), les bosons W et Z (force faible).
Un grand succès du modèle standard est l'unification des forces électromagnétique et faible dans ce que nous appelons la force électrofaible. Cette réussite est comparable à l'unification des forces électrique et magnétique dans le cadre d'une théorie électromagnétique unifiée établie par J.C. Maxwell au 19ème siècle.
Aujourd'hui, les physiciens essaient également d'inclure la force forte dans un schéma unifié appelé la Théorie de la Grande Unification (GUT). Ils envisagent aussi la possibilité d'y inclure la gravité, unifiant ainsi toutes les forces de la nature en un seule "super force". Cependant, beaucoup de travail expérimental et théorique est encore nécessaire avant d'atteindre un tel but.
Mystères non-élucidés: est-ce tout?
Le modèle standard est à l'heure actuelle la meilleure description que nous ayons du monde des quarks et des autres particules. Néanmoins, dans sa forme présente il ne peut pas tout expliquer car il reste des questions importantes auxquelles le modèle standard ne peut apporter de réponses:
Quelle est l'origine de la masse des particules?
La force électrofaible et la force forte peuvent elles être unifiées?
De quoi la matière obscure est-elle faite?
Pourquoi y a-t-il trois générations de matière et qu'est devenue l'antimatière?
De telles questions sont liées aux mystères qui demeurent concernant l'univers: Y a-t-il d'autres choses dans l'univers que nous ne pouvons voir? Pourquoi la matière domine-t-elle par rapport à l'antimatière? A l'évidence, de nombreuses choses nous échappent encore et la recherche future a de nouveaux défis à relever!
Quelle est l'origine de la masse des particules?
Les particules ont des masses très variées.
Les photons et les gluons sont totalement dépourvus de masse, alors que les particules W et Z pèsent chacune autant que 80 ou 90 protons ou autant qu'un noyau de taille respectable. La particule fondamentale de masse la plus élevée découverte jusqu'à présent, le quark top, est deux fois plus lourd que les particules W et Z, et pèse autant qu'un noyau d'or!
Pourquoi y a-t-il des écarts aussi importants; c'est l'une des énigmes encore non-élucidées de la physique des particules. Et d'ailleurs, nous ne savons même pas ce qui donne de la masse aux particules.
Dans le modèle standard, les particules acquièrent une masse grâce au mécanisme de Higgs (du nom du théoricien Peter Higgs). Selon cette théorie, aussi bien les particules de masse que les porteuses de force interagissent avec une nouvelle particule, le boson de Higgs . C'est la force de cette interaction qui donne naissance à ce que nous appelons la masse: plus forte est l'interaction, plus grande est la masse.
Les expériences ont encore à démontrer si cette théorie est correcte. La quête du boson de Higgs a déja commencé au collisionneur LEP du CERN, et ce travail va se poursuivre au 21ème siècle à l'aide de la nouvelle machine du CERN, le grand collisionneur d'hadrons (LHC).
La force électrofaible et la force forte peuvent elles être unifiées?
Une des plus grandes avancées des années 1970 en physique des particules a été l'intégration de l'électricité, du magnétisme, de la lumière et de la radioactivité - le développement d'une description unifiée des forces électromagnétique et faible. Maintenant les théoriciens essaient une grande unification, encore plus vaste, qui inclurait aussi la force forte.
Les expériences montrent que la force forte devient "plus faible" dans ses effets à mesure que les énergies augmentent. Ceci suggère qu'à très hautes énergies, les forces électromagnétique, faible et forte sont de même intensité, et qu'à la base elles sont indistinctes.
Malheureusement, les énergies mises en jeu sont un milliard de fois plus grandes que celles atteignables par les accélérateurs; elles n'auraient existé qu'au tout début de l'univers, 10-34 secondes après le Big Bang.
Mais les théories de grande unification ont aussi des conséquences à des énergies plus basses et peuvent donc être testées avec les expériences d'aujourd'hui. Elles requèrent, par exemple, une profonde symétrie dans les lois de la nature, qui à leur tour supposent l'existence de "super particules" spéciales. Certaines d'entre elles pourraient être vues avec le LHC.
De quoi la matière obscure est-elle faite?
Des mesures faites en astronomie indiquent que 90% ou plus de l'univers n'est pas visible (n'émet pas de rayonnement électromagnétique). Les scientifiques appelle cette "chose" indétectable la matière obscure.
Sa présence est ressentie à travers les effets gravitationels qu'elle a sur la matière que nous pouvons voir. Les étoiles des galaxies, par exemple, semblent se déplacer beaucoup plus rapidement qu'elles ne le devraient si elles n'étaient que sous l'influence de la masse visible de la galaxie.
La nature de la matière obscure ainsi que son rôle dans l'évolution de l'univers ne sont toujours pas connus.
Elle est probablement formée de plusieurs composants, comprenant des neutrinos, de la poussière, des gaz froids et des particules spéciales non encore observées mais prédites par les théories de la grande unification et appelées "super particules".
Les physiciens espèrent identifier quelques uns des constituants de la matière obscure grâce au LHC.
Pourquoi y a-t-il trois générations de matière?
Toute la matière qui nous entoure, est faite à partir de deux types de quark, appelés "up" et "down", qui forment les neutrons et les protons. Deux types de lepton sont également nécessaires: l'électron et le neutrino-électron. Cette configuration se répète dans deux "générations" plus lourdes, chacune avec deux quarks et deux leptons.
Pourquoi y a-t-il trois génerations et pourquoi celle dont notre monde est formé ne suffit-elle pas? Nous ne le savons pas.
Néanmoins cette énigme est liée à une autre, qui fait également partie des mystères de l'univers: qu'est devenue l'antimatière? Les expériences en physique des particules montrent que matière et antimatière sont toujours créées en quantités égales, indiquant par là-même qu'il avait dû en être ainsi au Big Bang. Mais si cela a été le cas, pourquoi l'antimatière n'a-t-elle pas annihilé complètement la matière, ne laissant que de l'énergie (photons) dans l'Univers?
Il semble, au contraire, qu'il y ait eu une asymétrie faible mais significative entre matière et antimatière dans les premiers instants de notre univers. Cette asymétrie pourrait résulter d'un effet connu sous le nom de violation de CP. La compréhension actuelle de cet effet est étroitement liée à l'existence de trois générations.
Jusqu'à maintenant, la violation de CP n'a été vue qu'affectant les particules faites de quarks de seconde génération (quark "étrange") mais le LHC devrait facilement produire des particules contenant le quark de troisième génération, "beauté", plus lourd. Si la théorie est correcte, de telles particules devraient également faire apparaître l'effet de rupture de symétrie de la violation de CP.
