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Le Modèle Standard: une belle théorie… défectueuse

Voici la première partie d’une série de trois sur la supersymétrie, la théorie qui pourrait aller au-delà du Modèle standard. J’explique ici ce qu’est le Modèle standard et montre ses limites. Puis dans un deuxième volet, je présenterai la supersymétrie et expliquerai comment elle pourrait résoudre plusieurs gros défauts du Modèle Standard. Finalement, je passerai en revue comment les physicien-ne-s essaient de découvrir des « superparticules » au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN.

Le Modèle Standard décrit les composantes fondamentales de la matière et les forces qui assurent leur cohésion . Ce modèle repose sur deux idées toutes simples : toute la matière est faite de particules et ces particules interagissent entre elles en échangeant d’autres particules associées aux forces fondamentales.

Les grains de matière de base sont des fermions et les porteurs de force sont des bosons. Les noms de ces deux classes réfèrent à leur spin – une mesure de leur quantité de mouvement angulaire. Les fermions ont des valeurs de spin de un demi tandis que les bosons ont des valeurs entières tel qu’indiqué dans le diagramme ci-dessous.

ModèleStandardLes grains de matière, les fermions, se divisent en deux familles. La famille des leptons compte six membres, l’électron étant le plus connu. La famille des quarks contient six quarks. Les protons et les neutrons sont formés à partir de quarks up et down. Ces douze fermions sont les seules composantes de matière et chacun a une valeur de spin de ½.

Ces particules interagissent entre elles par l’intermédiaire de forces fondamentales. Chaque force vient avec un ou plusieurs porteurs de force. La force nucléaire vient avec le gluon et lie les quarks dans le proton et les neutrons. Le photon est associé à la force électromagnétique. L’interaction faible est responsable de la radioactivité. Elle vient avec les bosons Z et W. Tous ont un spin de 1.

Le point à retenir c’est qu’il existe des grains de matière, les fermions avec un spin de ½, et des porteurs de force, les bosons, avec une valeur entière de spin.

Le Modèle Standard est à la fois remarquablement simple et très puissant. Il vient bien sûr avec des équations complexes qui expriment tout cela d’une façon mathématique. Ces équations permettent aux théoricien-ne-s de faire des prédictions ultra précises. Presque chaque quantité qui a été mesurée dans les laboratoires de physique des particules  au cours des cinq dernières décennies tombe pile poil sur la valeur prévue si on tient compte des marges d’erreur expérimentales.

Alors, qu’est-ce qui cloche avec le Modèle Standard ? Essentiellement, on pourrait dire que le modèle entier manque de robustesse à plus haute énergie. Tant que nous observons divers phénomènes à basse énergie comme nous l’avons fait jusqu’à présent, tout se comporte correctement. Mais comme les accélérateurs deviennent de plus en plus puissants, nous sommes sur le point d’atteindre un niveau d’énergie qui n’avait jusqu’alors existé seulement que peu de temps après le Big Bang. Et à cette énergie, les équations du Modèle Standard commencent à chanceler.

C’est un peu comme avec les lois de la mécanique. Le mouvement d’une particule se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière ne peut pas être décrite avec les lois simples de la mécanique de Newton. Il faut faire appel aux équations de la relativité.

Autre problème majeur du Modèle Standard : il n’inclut pas la gravité, une des quatre forces fondamentales. Le modèle échoue aussi à expliquer pourquoi la gravité est tellement plus faible que les forces électromagnétiques ou nucléaires. Par exemple, un simple petit aimant suffit pour contrecarrer l’attraction gravitationnelle de la Terre entière et peut maintenir un petit objet à votre frigo.

Cette différence énorme entre les forces fondamentales n’est qu’un aspect du « problème de hiérarchie ». Ce terme réfère aussi à la vaste étendue des valeurs de masse des particules élémentaires. Dans le tableau ci-dessus, les masses sont exprimées en unité d’électron-volt (eV), millions d’eV (MeV) et même milliard d’eV (GeV). L’électron est donc 3500 fois plus léger que le tau. Même chose pour les quarks : le quark top est 75000 fois plus lourd que les quarks up et down. Pourquoi existe-t-il une si grande variété de masses parmi les composantes de la matière? Imaginez si un jeu de blocs Lego contenait des briques de tailles aussi disparates!

Le problème de hiérarchie est aussi lié à la masse du boson de Higgs. Les équations du Modèle Standard établissent des relations entre les particules fondamentales. Par exemple, dans les équations, le boson de Higgs a une masse de base à laquelle les théoricien-ne-s doivent ajouter des corrections pour chaque particule interagissant avec le boson de Higgs. Plus la particule est lourde, plus cette correction est grande. Le quark top étant le plus lourd, il apporte une correction si grande à la masse théorique du boson de Higgs qu’il est difficile de comprendre comment la masse mesurée du boson de Higgs puisse être aussi petite.

Tout cela suggère l’existence de nouvelles particules. Par exemple, les corrections à la masse du Higgs venant du quark top pourraient être neutralisées par d’autres particules hypothétiques et expliquer pourquoi la masse du boson de Higgs est si petite. Justement, la supersymétrie prévoit l’existence de telles particules, d’où son attrait.

Finalement, le Modèle Standard ne décrit que la matière ordinaire, soit toute la matière que nous voyons sur Terre et dans les galaxies. Mais les preuves abondent indiquant que l’Univers contient cinq fois plus de « matière sombre », un type de matière complètement différente de celle que nous connaissons. La matière sombre n’émet pas de lumière, mais se manifeste par ses effets de gravitation. Parmi toutes les particules contenues dans le Modèle Standard, aucune n’a les propriétés de la matière sombre. Il est donc clair que le Modèle Standard ne donne qu’une image incomplète du contenu de l’Univers. Mais de la supersymétrie pourrait résoudre ce problème.

Pauline Gagnon

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7 Responses to “Le Modèle Standard: une belle théorie… défectueuse”

  1. nicolas says:

    Bonjour Pauline, merci pour ce petit cours.
    Je me demandais si dans votre théorie on prévoyait des masses différentes pour chaque quarks? Si il y avait des erreurs ponctuelles dans la matrice de chaque quarks qui fasse que chacun d’eux, chaque atome, ai une masse différentes l’une de l’autre…??? Et comment son mathématiquement apparus les isotopes??
    Merci cordialement…

  2. nicolas says:

    Autre question auriez vous une approche du spin un peu plus vulgarisée?? L’idée que je m’en fais est un pôle magnétique de chaque particules mais je ne comprend pas bien le principe du 1; 1/2; 0; -1/2; -1…
    Merci cordialement
    Nicolas

  3. Louise Angers says:

    Merci Pauline de rendre tout ça compréhensible. Quelle merveille de pouvoir s’approcher d’un mystère…

  4. Fermin Saez Soler says:

    Pas d’image?

  5. Fermin Saez Soler says:

    Il faudrait voir le tableau c’est tellement complexe.
    la (gravitation-matière sombre) a-t-elle une masse?
    Cette soupe quantique pourras faire revoir le big-bang.
    Est de nouveau modèle énergétique.

  6. Fermin Saez Soler says:

    L’énergie noire-gravitation et l’entropie ça a bien un rapport, avec la constante de Planck

  7. Fermin Saez Soler says:

    Bonjour c’est compris
    À quoi servent les quarks: c, t, s, b. Et les neutrinos. Le tau est le muon.
    Je n’ai pas compris la signification du sens de la neutralisation du higgs par rapport au top, et le surgissement de nouvelles particules.
    Merci

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