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La physique quantique

Traces de jets et d'interactions après une collision entre particules dans la première chambre à bulles du CERN de 30 cm de diamètre utilisée en 1970. Les cercles concentriques sont des électrons déviés par le champ magnétique. Document CERN.

Les interactions entre particules (IV)

Regardons un instant le ciel d'une nuit sans Lune au bord d'un lac. Incrustées dans le velours noir de la nuit, les étoiles scintillent d'un vif éclat. De temps en temps un météore évanescent signe son passage en lettres de feu. Son éclat se reflète dans l'eau du lac. Au loin, à l'horizon, on distingue de la vapeur d'eau s'échapper des tours de refroidissement d'une centrale nucléaire.

Sans nous en rendre compte, les quatre interactions de la Nature sont présentes autour de nous. L'éclat des étoiles représente des photons vecteurs de l'interaction électromagnétique qui se propage à la vitesse de la lumière. En rentrant dans l'atmosphère terrestre, le météore nous signale qu'il est sous l'emprise de l'interaction gravitationnelle dont le vecteur serait le graviton. C'est l'interaction forte des gluons mêlée à l'interaction électromagnétique qui assurent la cohésion des molécules d'eau. Enfin, la chaleur libérée par l'uranium est entretenue par sa radioactivité. Cette propriété est provoquée par l'interaction faible des bosons W et Z qui désintègre la matière et touche l’électron. On reviendra plus loin sur les bosons.

L'électromagnétisme et la gravitation nous sont familiers par leurs effets dans notre vie quotidienne. Tous deux portent leur influence à l'infini, ce qui signifie qu'aussi éloigné vous soyez d'un corps dans l'univers, l'attraction du Soleil par exemple existera toujours. Il faut immédiatement ajouter que d'autres corps, plus proches de vous ou plus massifs viendront gommer son attraction. Ce champ de forces suit la loi dite en "carré inverse" : si la distance double, son effet devient quatre fois plus faible. Cet effet est lié aux trois dimensions de l'espace. Nous y reviendrons dans un autre article consacré au principe anthropique.

Décrivons à présent ces quatre interactions fondamentales.

L'interaction électromagnétique est responsable des liaisons électroniques entre atomes chargés. Rappelons que ces liaisons peuvent être de deux types: ioniques avec un gain ou une perte d'électron au profit de la molécule résultante, (H++O--) ou covalentes, mettant en commun les électrons des couches externes des deux atomes (CH4). Cette liaison qui solidarise les atomes et les molécules est due à la force électrostatique de Van der Waals et suit la loi coulombienne dans le même rapport que la force d'attraction de Newton.

C’est cette force qui explique par exemple l’adhérence d’une bille d’acier sur un plan incliné en caoutchouc. Elle est limitée à l'échelle des molécules et peut-être neutralisée par une charge de signe opposé - ou quelques poussières sur notre plan incliné. Etant donné qu'une certaine énergie est utilisée pour assurer cette liaison, l'énergie de la molécule est inférieure à celle des deux atomes séparés; c'est le défaut de masse. On retrouve ce concept en thermodynamique à propos du phénomène d'entropie et de la source d'énergie du Soleil.

Le modèle Standard

Les particules fondamentales constituant la matière sont élaborées à partir de 6 leptons et de 6 quarks (en noir). Le modèle Standard représenté par les théoriques quantiques du champ décrit ces particules et leurs interactions. Il s'agit de théories de jauge non abéliennes. L'interaction électrofaible est véhiculée par l'échange de 4 particules (en gris foncé). il s'agit du photo (gamma) sans masse de repos et des 3 particules W+, W- et Z°. L'interaction forte est véhiculée par 8 gluons g sans masse (en gris clair). A côté de ces deux vecteurs, la théorie prédit l'existence d'une particule très lourde, le boson de Higgs H° dont la découverte faite en 2012 fut confirmée en 2013. Le champ de cette particule est capable de générer les particules massives. A droite, l'équation centrale de la théorie quantique appelée le Lagrangien du modèle Standard. Elle n'a toutefois pas encore été couplée à la relativité générale, raison pour laquelle il ne peut pas définir la gravitation. Documents Nobel et Shutterstock/R.T. Wohlstadter adapté par l'auteur.

Bien que dépourvu de charge, le neutron est sensible à la force électromagnétique. Il dispose en effet d’un moment magnétique, sorte de petit aimant giratoire. L'électromagnétisme est donc responsable de la structure et de l'état de la matière. La gravité s'y superpose à grande échelle pour structurer l'univers.

Notons que le vecteur de l'interaction électromagnétique est le photon, un boson (voir page suivante).

La deuxième interaction fondamentale est la gravité. Pour le dire vite, sans la gravité l'Univers n'existerait pas ! En effet, la plupart des corps sont neutres, les charges négatives des atomes ou des molécules équilibrant les charges positives. N'ayant aucun corps électriquement chargé sur lequel le champ électromagnétique pourrait exercer son influence, l'Univers serait resté à l'état de désordre, ses composants épars.

La particularité de la gravité est de toujours avoir un effet attractif. C'est la gravité qui donna forme à l'Univers en unifiant ce qui était désuni, construisant les systèmes binaires et multiples. L'interaction gravitationnelle est tellement faible qu'on ne la ressent pas, pourtant c’est elle qui nous maintient au sol. Nous marchons, les voitures passent à côté de nous sans nous influencer. Nous passons à côté d'un building sans ressentir sa présence, pourtant il pèse quelques milliers de tonnes. L'attraction mutuelle de tous les corps est toutefois mesurable comme l'a démontré l'expérience de Cavendish au XIXe siècle, reprise avec la balance de torsion d'Eötvös en 1909 puis par Dicke.

Débarquez sur la comète de Halley. Si vous effectuez un cent mètre, la force d’attraction est si faible que vous risquez de franchir la vitesse de libération. L'interaction gravitationnelle est une force très faible : elle est 4.17 x 1042 fois plus faible que la force électromagnétique. A la distance de Fermi[11] et malgré l'extrême petitesse de la masse de l'électron (10-27 g) la gravité est vaincue par la force électromagnétique. C'est la même force qui forme la queue ionique de la comète de Halley. Pour agir efficacement la gravité doit compter sur l'effet de groupe, sur le nombre des individus et leur masse. Inversement, dans l’espace il faut qu’un objet massif fasse plus de 600 km de diamètre environ pour que les forces cumulées de la gravitation lui donne une forme sphérique, seule structure capable de supporter sa masse. En deçà, la force électromagnétique domine et c’est la raison pour laquelle les petits astéroïdes ont une forme irrégulière dite “patatoïde”.

Les diagrammes de Feynman

A. Les diagrammes inventés par Richard Feynman permettent de représenter les interactions nucléaires subatomiques. Ils peuvent symboliser (1) la transformation d'un proton en neutron avec échange d'un méson π positif, (2) la diffusion d'un électron par un proton avec échange d'un photon γ, (3) l'émission d'un photon avec création d'une paire virtuelle d'électron-positron qui sera réabsorbée puis transmise à un électron, (4) l'échange d'un boson Z entre un proton et un neutrino électronique dans une interaction faible (un courant neutre).

Les lignes obliques symbolisent les propagateurs des particules, les points de jonction où les événements se produisent sont des vertex d'intersection, les lignes pointillées représentent l'échange d'un boson, un cercle fermé ou une ligne ondulée symbolise une transition virtuelle. Il faut au moins une particule virtuelle pour qu'il y ait une interaction. Une lecture d'un diagramme de Feynman vers la droite évolue dans le temps tandis qu'une lecture de bas en haut évolue dans l'espace.

B. Dans un diagramme de Feynman, la désintégration β (la transformation d'un neutron en proton) se représente sans référence aux quarks. Dans la symbolique moderne, toutes les particules en interactions sont mentionnées, laissant apparaître dans ce cas-ci la transformation d'un quark d en quark u. Leur combinaison formera un proton.

Diagramme de Feynman

Diagramme moderne

Si les charges s'attirent ou se repoussent sans qu'intervienne la gravité, une autre force beaucoup plus puissance que la force électromagnétique maintient les protons dans le noyau malgré leurs charges identiques. C'est l'interaction dite forte dont l'influence ne porte que dans un rayon de 1 Fermi. Son influence devient insignifiante à l'échelle de l'atome (10-8 cm). Cette interaction est plusieurs millions de fois plus forte que l'interaction électromagnétique mais heureusement, sa portée s'étend sur une distance cent mille fois plus faible (1 Fermi contre quelques angströms) car il est nécessaire de laisser l’interaction électromagnétique agir sur de plus grandes distances afin que la matière puisse se constituer en atomes et molécules.

Cette troisième interaction est tout aussi sélective. Elle n'opère que dans l'espace du noyau, maintenant protons et neutrons ensembles afin d’éviter l’éclatement du noyau. Elle agit également entre les quarks mais ignore toutes les autres particules plus légères. Sa constante de couplage α = ~1 ce qui signifie que son influence modifie les grandeurs physiques d’une valeur comparable à ce qu’elle serait en son absence ! C’est le domaine de la théorie des interactions fortes et de la chromodynamique quantique, par allusion à la charge de couleur des quarks.

Une manière de comprendre la puissance de l'interaction forte dans le monde de tous les jours est de se rappeler l'explosion d'une bombe à hydrogène; le simple réarrangement des noyaux d'hydrogène libère une énergie considérable qui déclenche une gigantesque explosion.

Les constantes de couplage

Une constante de couplage est synonyme de l’intensité d’une interaction. Elle nous donne une indication de l’influence d’une interaction sur, par exemple, la masse d’une particule.

Ainsi la différence relative de masse des mésons π+ et π° vaut :

A un facteur 4 près, cette valeur est comparable à la constante de couplage de l’interaction électromagnétique, αe. En d’autres termes, en l’absence de l’interaction électromagnétique, le pion chargé serait moins massif dans un rapport égal à sa constante de couplage. Bien que d’intensité très différentes à température ordinaire, ainsi que nous le verrons les différentes constantes de couplage s’unissent probablement à hautes énergies (1019 GeV ?).

Enfin, l'interaction faible s'échange sur moins de 10-15 cm (10-3 Fermi), une distance tellement faible qu’à son contact les particules ne la ressente presque pas. Elle dispose de trois messagers, les bosons W+, W- et Z°, des particules extrêmement lourdes dont la durée de vie est très courte. Sa constante de couplage est dix mille fois plus faible que celle de l’interaction électromagnétique, d’où son nom. Son but est en quelque sorte de désintégrer la matière en provoquant des réactions secondaires de décomposition. C’est elle qui crée la radioactivité. Elle touche toutes les particules chargées, à l’exception des plus légères, telles le quark up et l’électron. Elle se désintéresse également du photon et des gluons. L’interaction faible apparaît également lors de certaines collisions en chaînes, en particulier dans les réactions nucléaires de fusion au sein des étoiles.

L’interaction faible relie également les quarks en doublets et les pions en triplets d’isospin pour des raisons de symétrie que nous allons découvrir. Cette interaction permet par exemple de transformer un quark up en quark down ou un électron en neutrino électronique νe. Cela donne toute la saveur des courants faibles. Nous verrons dans un autre article que l’interaction faible ne conserve pas la parité, c’est-à-dire la symétrie par réflexion dans un miroir et privilégie la matière au détriment de l’antimatière. Elle viole en fait la congugaison de charge.

Enfin, l'interaction faible intervient également lors de la fusion des paires de protons en deutérons dans le coeur des étoiles et est responsable de l'abondance de l'eau dans l'Univers. Bref, l'interaction faible est indissociable de la vie. Mais nous verrons à propos du principe anthropique qu'en réduisant le rapport primordial  matière/énergie d'un facteur 100, l'interaction faible ne serait plus indispensable tout en permettant la création de l'Univers tel que nous le connaissons.

L'interaction forte des gluons

Ci-dessus collision de deux protons avec production de deux jets de hadrons. Ce sont en fait les quarks qui interagissent par l'intermédiaire des gluons.

Après l'annihilation d'une paire d'électron-positron et production d'un photon (non dessiné), un méson ψ (c-anti c) est produit. Il se désintègre ensuite en trois mésons π par échange de gluons.

Après avoir décrit chacune de ces interactions séparément, il nous vient naturellement une question dans la perspective d'une théorie unifiée : est-il possible de réunir ces différentes interactions dans une seule force ? Les théories de symétrie (GUT) nous apportent des éléments de solutions mais la gravitation est toujours écartée de ces modèles. Pour tenter de l'unir aux autres forces, les physiciens ont dû imaginer un cadre encore plus général, la supersymétrie et la gravité quantique. Ce sujet méritant un développant particulier, il a été traité séparément dans plusieurs articles dont la théorie des supercordes et la gravité quantique à boucles. Attendez-vous à découvrir tout un autre Univers !

Une cinquième interaction fondamentale ?

Quittons un instant les voies royales du modèle Standard pour nous aventurer sur des chemins de traverses à peine balisés.

En 1986, à l'époque où les physiciens installaient les premiers interféromètres pour détecter des ondes gravitationnelles, au cours d'une expérience relative à la gravitation Ephraim Fischbach de l'Université de Purdue et ses collègues découvrirent une anomalie qui pouvait s'interpréter comme l'effet d'une nouvelle interaction similaire à la gravité qui fut aussi aussitôt appelée la "cinquième force". Leur analyse fut publiée dans les "Physical Review Letters" qui n'est tout de même pas la moins sérieuse des revues (la différence avec la "Physical Review" est que la première permet de publier plus rapidement de brefs rapports sur la physique fondamentale).

Pour commémorer le 10e anniversaire de cette découverte, Fischbach remit cette hypothèse sur la table dans un nouvel article publié en 1996, une manière de rappeler le problème à la communauté scientifique.

Au cours de cette expérience, les chercheurs ont soigneusement réexaminé les résultats de l'expérience d'Eötvös, Pekár et Fekete, qui avaient comparé les accélérations de divers matériaux soumis à la gravité terrestre. Les chercheurs ont découvert que les données d'Eötvös sont sensibles à la composition des matériaux utilisés et que leurs résultats supportent l'existence d'un couplage dans une gamme intermédiaire de nombre baryonique ou d'hypercharge (la combinaison de l'ispospin et de la saveur des quarks) de l'interaction forte.

Concrètement, selon Fishbach, dans les modèles les plus simples, cette hypothétique "cinquième force" résulterait de l'échange d'un nouveau boson ultra-léger qui se couplerait à la matière ordinaire avec une force comparable à la gravité. De nombreuses théories de la physique à l'échelle de Planck prédisent l'existence d'un tel champs bosonique dont l'effet modifie l'expression de l'énergie d'interaction V(r) entre deux masses m1 et m2 selon la relation :

où G est la fameuse constante de la gravitation pour une distance r → ∞. Les constantes α et λ caractérisent la force de la nouvelle interaction (par rapport à la gravité) et la portée de la nouvelle force. Vous trouverez plus de détails dans les articles de Fishbach.

A gauche, un spectromètre à électron-positron qui aurait permis à des chercheurs de l'Académie des Science de Hongrie de découvrir en 2015 un nouveau boson supportant l'existence hypothétique d'une cinquième interaction.

Puis, en 2015 le physicien Attila Krasznahorkay de l'Académie Hongroise des Sciences et ses collègues rapportèrent avoir détecté grâce au spectromètre à électron-positron présenté ci-dessus une anomalie significative au cours d'une expérience de collision entre des protons et du lithium-7. Cette réaction crée des isotopes instables de béryllium-8 qui décroissent ensuite en paires d'électrons-positrons.

Techniquement, cette particule est un boson X protophobique, c'est-à-dire un boson vecteur qui n'interagit pas avec les protons (ce n'est pas un photon de matière noire) mais qui intervient dans la réaction de décroissance suivante :

8Be* 8Be X qui ensuite décroit en X → e+e-.

Selon le modèle Standard, au cours de cette expérience les physiciens auraient dû constater que le nombre de paires observées diminue au fur et à mesure que l'angle séparant la trajectoire de l'électron et du positron augmente. Or en reportant dans un diagramme le nombre de paires en fonction de l'angle, les chercheurs ont constaté que sous un angle d'environ 140º, le nombre d'émissions de paires accusa un" bosse" (un bump) avant de décroître sous des angles plus élevés. Selon Krasznahorkay, cette "bosse" est une preuve significative qu'une fraction infime des noyaux de béryllium-8 instables ont perdu leur énergie excédentaire sous la forme d'une nouvelle particule, un boson X, qui se désintégra ensuite en une paire électron-positron. Les chercheurs ont déterminé que cette particule qui serait un nouveau boson de jauge présente une masse de repos ultra-légère de ~16.7 MeV soit ~34 fois la masse de repos de l'électron.

L'article qui fut publié sur le serveur arXiv fut pratiquement ignoré par la communauté scientifique au point que le journaliste scientifique Edwin Carlidge l'évoqua dans la revue "Nature" en mai 2016.

Comme par hasard, dans un article publié en août 2016 dans les "Physical Review Letters" (en PDF sur arXiv) soit 30 ans après la première expérience de l'équipe de Fischbach, un groupe de physiciens théoriciens américains dirigé par Jonathan Feng de l'Université de Californie à Irvine analysa les résultats de l'équipe hongroise et montra que l'anomalie n'était pas en contradiction avec les expériences antérieures et conclua que ce boson renforçait l'hypothèse qu'il existerait une cinquième force.

Depuis, plus de nouvelles ou presque. En fait, les recherches de ce boson X continuent dans les installations du SLAC et du CERN où les physiciens réalisent de nouvelles expériences pour essayer de confirmer ou de récuser les résultats des chercheurs hongrois. A ce jour, aucune équipe de physiciens n'a annonçé officiellement la découverte de ce boson X vecteur de cette hypothétique cinquième force.

La nature de la matière sombre

Si Feng valide l'expérience hongroise évoquant une 5e force, en 2018 il proposa également avec ses collègues une nouvelle expérience appelée FRASER (Forward Search Experiment) pour les détecteurs ATLAS et CMS du LHC qui permettrait de détecter les tout aussi élusifs "photons noirs" d'une masse estimée entre 10-500 MeV qui représenteraient l'une des composantes hypothétiques de cet Univers invisible qui nous entoure.

Pour sa part, l'astronome postdoctorant Lijing Shao de l'Institut Max Planck de Radioastronomie (MPIfR) et ses collègues estimaient dans un article publié en 2018 dans les "Physical Review Letters" (en PDF sur arXiv) que les étoile à neutrons et les pulsars seraient des candidates toutes désignées "pour interagir avec la matière noire" et pourraient nous permettre de mieux comprendre ce qu'elle représente et nous mettre sur la piste de cette hypothétique cinquième force.

Les chercheurs ont proposé un test expérimental sur le pulsar binaire PSR J171300747 et si possible sur d'autres pulsars binaires situés à moins de 33 années-lumière (10 pc) du centre de la Voie Lactée afin de mieux contraindre les modèles actuels et prédire les valeurs de couplage entre la matière sombre et le modèle Standard.

S'il s'avère que cette 5e force existe, elle sera appréciée et très applaudie par les théoriciens (cf. cet article publié dans la revue "Science" en 2015) et les cosmologistes défenseurs de la théorie de la matière sombre (ou noire) qui prétendent depuis des années que le modèle Standard est incapable d'expliquer la nature de cette substance invisible qui constitue environ 26.8% de l'Univers (auxquels s'ajoutent les 68.3% d'énergie sombre) et représente une masse six fois plus importante que la matière visible (qui ne représente que 4.9% de la densité d'énergie totale de l'Univers constituée des particules du modèle Standard matérialisées par les étoiles, les planètes et les galaxies). Dans ce cas, il n'y aurait même plus besoin d'inventer des particules "supersymétriques" qui seraient associées aux particules ordinaires pour expliquer cette masse "manquante". L'enjeu de cette découverte est donc aussi important pour les physiciens que pour les cosmologistes ou les astrophysiciens.

Voyons pour terminer quelles sont les particules qui transportent les quatre interactions fondamentales et quelques autres bosons très particuliers.

Dernier chapitre

Les bosons

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[11] Les physiciens font souvent usage de cette nouvelle unité de longueur adaptée à l'échelle du nucléon, 1 Fermi =10-13 cm.


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