La théorie des modèles standard de la physique des particules

Comment notre monde fonctionne-t-il au niveau subatomique? Image via Varsha Y S.

Par Glenn Starkman, Université Case Western Reserve

Le modèle standard. Quel nom ennuyeux pour la théorie scientifique la plus précise connue de l’être humain.

Plus du quart des prix Nobel de physique du siècle dernier sont des intrants ou des résultats directs du modèle standard. Pourtant, son nom suggère que si vous pouvez vous permettre quelques dollars de plus par mois, vous devriez acheter la mise à niveau. En tant que physicien théoricien, je préférerais la théorie absolument étonnante de presque tout. C'est ce que le modèle standard est vraiment.

Beaucoup se souviennent de l'enthousiasme des scientifiques et des médias pour la découverte du boson de Higgs en 2012. Mais cet événement si compliqué n'est pas sorti de nulle part - il a couronné une série de cinq décennies sans défaite pour le modèle standard. Toute force fondamentale, à l'exception de la gravité, y est incluse. Toute tentative de le renverser pour démontrer en laboratoire qu'il doit être considérablement retravaillé - et il y en a eu beaucoup au cours des 50 dernières années - a échoué.

En bref, le modèle standard répond à cette question: de quoi tout est-il constitué et comment tient-il ensemble?

Les plus petits blocs de construction

Vous savez, bien sûr, que le monde qui nous entoure est composé de molécules et que les molécules sont composées d'atomes. Le chimiste Dmitri Mendeleev a compris cela dans les années 1860 et a organisé tous les atomes - c'est-à-dire les éléments - dans le tableau périodique que vous avez probablement étudié au collège. Mais il y a 118 éléments chimiques différents. Il y a de l'antimoine, de l'arsenic, de l'aluminium, du sélénium… et 114 autres.

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Mais ces éléments peuvent être décomposés davantage. Image via Rubén Vera Koster.

Les physiciens aiment les choses simples. Nous voulons résumer les choses à leur essence, à quelques éléments de base. Plus d'une centaine d'éléments chimiques n'est pas simple. Les anciens croyaient que tout n'était composé que de cinq éléments: la terre, l'eau, le feu, l'air et l'éther. Cinq est beaucoup plus simple que 118. C'est également faux.

En 1932, les scientifiques savaient que tous ces atomes ne sont composés que de trois particules: des neutrons, des protons et des électrons. Les neutrons et les protons sont étroitement liés dans le noyau. Les électrons, des milliers de fois plus légers, tournoient autour du noyau à des vitesses proches de celles de la lumière. Les physiciens Planck, Bohr, Schroedinger, Heisenberg et leurs amis avaient inventé une nouvelle science - la mécanique quantique - pour expliquer cette motion.

Cela aurait été un endroit satisfaisant pour arrêter. Juste trois particules. Trois, c'est encore plus simple que cinq. Mais maintenus ensemble comment? Les électrons chargés négativement et les protons chargés positivement sont liés entre eux par électromagnétisme. Mais les protons sont tous regroupés dans le noyau et leurs charges positives devraient les éloigner puissamment. Les neutrons neutres ne peuvent aider.

Qu'est-ce qui lie ces protons et ces neutrons? «Intervention divine», m'a dit un homme au coin d'une rue de Toronto; il avait une brochure, je pouvais tout lire à ce sujet. Mais ce scénario a semblé poser beaucoup de problèmes, même pour un être divin: garder un œil sur chacun des 10 80 protons et neutrons de l’univers et les plier à sa volonté.

Développer le zoo de particules

Pendant ce temps, la nature a cruellement refusé de garder son zoo de particules à seulement trois. Vraiment quatre, car nous devrions compter le photon, la particule de lumière décrite par Einstein. Quatre ont atteint cinq ans lorsque Anderson a mesuré des électrons avec une charge positive (positrons) frappant la Terre depuis l'espace. Au moins, Dirac avait prédit ces premières particules anti-matière. Cinq sont devenus six lorsque le pion, dont Yukawa avait prédit qu'il maintiendrait le noyau, a été retrouvé.

Puis vint le muon 200 fois plus lourd que l'électron, mais sinon un jumeau. "Qui a ordonné ça?" II s'est moqué de Rabi. Cela résume. Numéro sept. Non seulement pas simple, redondant.

Dans les années 1960, il y avait des centaines de particules «fondamentales». À la place du tableau périodique bien organisé, il n'y avait que de longues listes de baryons (particules lourdes comme les protons et des neutrons), de mésons (comme les pions de Yukawa) et de leptons (particules légères comme l'électron et les neutrinos insaisissables) sans organisation ni principes directeurs.

Dans cette brèche a sournoisé le modèle standard. Ce n'était pas un éclair de nuit. Aucun Archimède ne sortit de la baignoire en criant eureka. Au lieu de cela, au milieu des années 1960, quelques individus cruciaux révélèrent des idées cruciales qui transformèrent ce bourbier en une simple théorie, puis cinq décennies d'expérimentation. vérification et élaboration théorique.

Quarks. Ils viennent en six variétés que nous appelons des saveurs. Comme la crème glacée, mais pas aussi savoureux. Au lieu de la vanille, du chocolat, etc., nous avons le haut, le bas, l’étrange, le charme, le bas et le haut. En 1964, Gell-Mann et Zweig nous ont appris les recettes: Mélanger et assortir trois quarks pour obtenir un baryon. Les protons sont deux hauts et un bas quark liés ensemble; les neutrons sont deux bas et un haut. Choisissez un quark et un antiquark pour obtenir un méson. Un pion est un quark up ou down quark lié à un anti-up ou à un anti-down. Tout le matériel de notre vie quotidienne est constitué de quarks, d'anti-quarks et d'électrons.

Le modèle standard de particules élémentaires fournit une liste d'ingrédients pour tout ce qui nous entoure. Image via le laboratoire national des accélérateurs Fermi.

Facile. Eh bien, c'est simple, parce que garder ces quarks liés est un exploit. Ils sont tellement liés les uns aux autres que vous ne trouverez jamais un quark ou un anti-quark tout seul. La théorie de cette liaison, et les particules appelées gluons (gloussons) qui sont responsables, est appelée chromodynamique quantique. C'est un élément essentiel du modèle standard, mais mathématiquement difficile, pouvant même poser un problème non résolu de mathématiques de base. Nous, physiciens, faisons de notre mieux pour calculer avec, mais nous apprenons toujours comment.

L’autre aspect du modèle standard est «Un modèle de Leptons». C’est le titre du document historique de Steven Weinberg datant de 1967, qui réunissait la mécanique quantique avec les éléments de connaissance essentiels de la façon dont les particules interagissent et organisait les deux en une seule théorie. Il incorporait l'électromagnétisme familier, s'associait à ce que les physiciens appelaient «la force faible» qui provoquait certaines désintégrations radioactives, et expliquait qu'il s'agissait d'aspects différents de la même force. Il incorporait le mécanisme de Higgs pour donner de la masse aux particules fondamentales.

Depuis lors, le modèle standard a prédit les résultats expérience par expérience, y compris la découverte de plusieurs variétés de quarks et des bosons de W et Z, particules lourdes destinées aux interactions faibles, ce que le photon représente pour l’électromagnétisme. La possibilité que les neutrinos ne soient pas sans masse a été négligée dans les années 1960, mais a facilement glissé dans le modèle standard dans les années 1990, avec quelques décennies de retard pour le parti.

Vue 3D d'un événement enregistré à l'accélérateur de particules du CERN montrant les caractéristiques attendues de la désintégration du boson de SM Higgs en une paire de photons (lignes jaunes en pointillés et tours vertes). Image via McCauley, Thomas; Taylor, Lucas; pour la collaboration CMS CERN.

La découverte du boson de Higgs en 2012, prédite depuis longtemps par le modèle standard et recherchée depuis longtemps, était un plaisir mais pas une surprise. C’était une autre victoire cruciale du modèle standard sur les forces obscures que les physiciens des particules ont à plusieurs reprises averti, se profilant à l’horizon. Préoccupés par le fait que le modèle standard ne traduisait pas suffisamment leurs attentes en matière de simplicité, inquiets pour leur cohérence mathématique, ou se focalisant sur la nécessité éventuelle de faire jouer la pesanteur, les physiciens ont fait de nombreuses propositions de théories allant au-delà de la norme. Modèle. Celles-ci portent des noms passionnants tels que Grand Unified Theories, Supersymmetry, Technicolor et String Theory.

Malheureusement, du moins pour leurs partisans, les théories au-delà du modèle standard n’ont encore prédit avec succès aucun nouveau phénomène expérimental ni aucune anomalie expérimentale par rapport au modèle standard.

Après cinq décennies, loin de nécessiter une mise à niveau, le modèle standard mérite d'être célébré en tant que théorie absolument étonnante de presque tout.

Glenn Starkman, professeur émérite de physique à la Case Western Reserve University

Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation. Lire l'article original.

Conclusion: Quelle est la théorie du modèle standard en physique des particules?

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