Le modèle standard est la description la plus complète du monde subatomique qui ait jamais été créée en physique moderne. Le modèle a été construit tout au long du XXe siècle sur les fondations de mécanique quantique, l’étrange théorie qui décrit le comportement des particules aux plus petites échelles. Le modèle standard explique trois des quatre forces de la nature : l’électromagnétisme, la force nucléaire forte et la force nucléaire faible. La théorie a été testée des milliers de fois avec une précision incroyable et, malgré ses lacunes, reste l’une des réalisations les plus importantes de la science moderne.
« C’est le paradigme dominant pour réfléchir à la façon dont les choses interagissent au niveau le plus élémentaire », et il a été « testé à un degré de précision phénoménal », a déclaré Chad Orzel, physicien à l’Union College et auteur de plusieurs livres de physique populaires, y compris « Comment enseigner la physique quantique à votre chien » (Scribner, 2009), a déclaré Live Science dans un e-mail.
Comment le modèle standard a-t-il été développé ?
Les physiciens ont commencé à développer le modèle standard dans les années 1950, à la suite d’une série de développements théoriques et expérimentaux révolutionnaires. Du côté de la théorie, les physiciens venaient d’étendre la mécanique quantique – développée à l’origine pour comprendre uniquement les particules subatomiques – pour expliquer la force électromagnétique. Du côté expérimental, les physiciens venaient de mettre au point la bombe atomique et connaissaient les forces nucléaires fortes et faibles mais n’en avaient pas encore de description complète.
Le modèle standard a atteint sa forme moderne dans les années 1970, une fois que quelques éléments clés étaient en place : une théorie quantique pour expliquer la force forte, la prise de conscience que les forces électromagnétiques et nucléaires faibles pouvaient être unifiées et la découverte du mécanisme de Higgs qui a donné naissance à des masses de particules, selon le département américain de l’énergie (s’ouvre dans un nouvel onglet) (BICHE).
« Je pense qu’il s’agit de l’un des plus grands triomphes intellectuels de l’histoire de la civilisation humaine, à la fois pour l’éventail des phénomènes qu’il englobe et aussi pour le degré de difficulté à tout assembler », a déclaré Orzel.
Comment le modèle standard est-il organisé ?
Le modèle standard organise le monde subatomique en deux grandes catégories de particules, appelées fermions et bosons, selon l’Université du Tennessee, Knoxville (s’ouvre dans un nouvel onglet). En gros, les fermions ne peuvent pas partager le même état quantique (par exemple, le même niveau d’énergie à l’intérieur d’un atome). Les fermions sont les « blocs de construction » de la matière ordinaire, qui se combinent de différentes manières pour former certaines des particules subatomiques bien connues, telles que les protons, les électrons et les neutrons.
Il existe deux sortes de fermions : les leptons, qui répondent aux forces électromagnétiques et nucléaires faibles, et les quarks, qui répondent à la force nucléaire forte. Les leptons comprennent l’électron familier, ainsi que ses cousins plus lourds, le muon et le tau. Ces deux particules ont exactement les mêmes propriétés que l’électron mais sont plus massives.
Chacun de ces leptons est apparié avec un neutrino correspondant. Neutrinos sont des particules ultralégères qui interagissent rarement avec la matière mais qui sont générées lors de réactions nucléaires. Il y a donc les neutrinos électroniques, les neutrinos muoniques et les neutrinos tauiques.
En plus de ces six leptons, il existe des quarks, qui se déclinent en six types, ou « saveurs »: haut, bas, charme, étrange, haut et bas. Les quarks up et down sont les plus légers et les plus stables, et ils se lient en triplets pour former des protons et des neutrons.
D’autre part, les bosons peuvent partager le même état énergétique. Le boson le plus connu est le photon, force porteuse de la force électromagnétique. D’autres bosons porteurs de force comprennent les trois porteurs de la force nucléaire faible (appelés bosons W+, W- et Z) et les huit porteurs de la force nucléaire forte, appelés gluons, selon le DOE.
Le dernier boson, appelé le le boson de Higgsest spécial et joue un rôle très important dans le modèle standard.
Quel est le rôle du mécanisme de Higgs dans le Modèle Standard ?
Le boson de Higgs remplit deux fonctions importantes dans le modèle standard. Aux hautes énergies, les forces électromagnétiques et nucléaires faibles fusionnent en une force commune et unifiée appelée force électrofaible. Aux basses énergies (c’est-à-dire aux énergies typiques de la vie quotidienne), les deux forces se divisent en leurs formes familières. Le boson de Higgs est responsable de la séparation de ces deux forces aux basses énergies, car les forces nucléaires et électromagnétiques faibles interagissent différemment avec le boson de Higgs, selon l’institut de physique (s’ouvre dans un nouvel onglet).
Tous les autres quarks et leptons (à l’exception des neutrinos) interagissent également avec le boson de Higgs. Cette interaction donne à ces particules leurs masses individuelles, qui dépendent de la force avec laquelle la particule interagit avec le Higgs. Ainsi, la présence du boson de Higgs permet à de nombreuses particules de notre univers d’acquérir une masse.
Comment le modèle standard est-il testé ?
Tester le modèle standard est extrêmement difficile, car toutes les particules impliquées sont extrêmement petites.
« Aucune de ces particules, à part peut-être l’électron, n’est directement observable, et pourtant leur existence est prouvée de manière presque incontestable grâce à l’accumulation des travaux de générations de physiciens sondant de plus en plus profondément la nature de la réalité », a déclaré Orzel.
Cela dit, le modèle standard a survécu à une batterie d’expériences de haute précision menées au fil des décennies. Presque toutes ces expériences intègrent l’utilisation de collisionneurs de particules, comme le Grand collisionneur de hadrons près de Genève, qui claquent des particules à une vitesse proche de celle de la lumière. Ces collisions libèrent d’énormes quantités d’énergie, permettant aux physiciens d’étudier les interactions fondamentales de la nature, selon le CERN (s’ouvre dans un nouvel onglet)l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, qui abrite le grand collisionneur de hadrons.
« Pour moi, la caractéristique la plus impressionnante est qu’elle nous permet de déterminer les paramètres du monde réel avec une précision étonnante – quelque chose comme 13 à 14 décimales dans le cas de quelque chose comme le moment magnétique anormal de l’électron », a déclaré Orzel.
Quels sont les problèmes avec le modèle standard ?
Malgré ses énormes succès dans l’explication d’une grande variété de phénomènes naturels dans un cadre mathématique unique, les physiciens savent que le modèle standard n’est pas complet. Plus important encore, les tentatives d’incorporation la gravité dans le modèle standard ont constamment échoué.
« L’incapacité de fusionner la gravité avec le cadre du modèle standard pour le reste de la physique fondamentale est thé le plus grand défi auquel sont confrontés les physiciens théoriques des particules, et les a poussés dans des domaines de spéculation assez baroques », a déclaré Orzel. « On ne sait pas du tout comment cela sera résolu, ou même s’il est possible de le résoudre avec une technologie plausible dans un avenir proche. »
Outre la gravité manquante, le modèle n’inclut pas de mécanisme pour donner aux neutrinos leur masse et n’intègre pas matière noire or énergie noirequi sont les formes dominantes de masse et d’énergie dans l’univers.
Cependant, même si le modèle standard n’est pas complet, les physiciens n’ont pas de théorie largement acceptée sur la façon de l’étendre, et il reste donc la meilleure description de travail de la physique subatomique jamais conçue.
Ressources additionnelles
Pour en savoir plus sur la force forte en particulier, consultez cet épisode de podcast (s’ouvre dans un nouvel onglet) par l’auteur de l’article Paul Sutter. Rejoignez Don Lincoln, scientifique du Laboratoire Fermi, pour une visite du modèle standard Dans cette vidéo (s’ouvre dans un nouvel onglet). Pour un aperçu populaire sur le sujet, consultez « La théorie de presque tout : le modèle standard, le triomphe méconnu de la physique moderne » (s’ouvre dans un nouvel onglet) (Penguin Publishing Group, 2006), par le physicien Robert Oerter.
Bibliographie
Hoddeson, L. et al. « La montée du modèle standard: une histoire de la physique des particules de 1964 à 1979 » (Cambridge University Press 1997)
Cottingham, WN et Greenwood, DA « Une introduction au modèle standard de la physique des particules » (Cambridge University Press 2007)
Oerter, R. « La théorie de presque tout: le modèle standard, le triomphe méconnu de la physique moderne » (Pi Press 2006)
Bardin, D. et Passarino, G. « Le modèle standard en devenir : étude de précision des interactions électrofaibles » (Clarendon Press 1999)
