Modèle standard (physique des particules)
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Le modèle standard de la physique des particules est une théorie scientifique qui décrit les interactions entre les particules élémentaires qui constituent la matière. Elle permet de décrire avec une précision extrême tous les phénomènes corpusculaires comme les désintégrations nucléaires et elle n'a jamais été prise en défaut. Cependant, elle n'inclut pas la description de la gravitation. Le modèle standard ne décrit que les particules élémentaires et les particules composites ne sont pas l'objet de son étude.
Développé du milieu à la fin du vingtième siècle, le modèle standard a avancé par les découvertes aussi bien expérimentales que théoriques. La formulation actuelle a été finalisée dans le milieu des années 70 avec la confirmation expérimentale de l'existence des quarks. Plus récemment, la détection du boson de Higgs est venue renforcer le modèle.
C'est une représentation qui s'applique à des objets quantiques et qui tente d'expliquer leurs interactions. Elle est bâtie sur le triptyque particule, force, médiateur, c'est-à-dire qu'elle distingue des familles de particules par les forces auxquelles elles sont sensibles, chaque force s'exerçant au moyen de médiateurs échangés par les particules qui y sont soumises. Ces médiateurs sont connus comme étant des bosons, alors que les particules constituant la matière sont appelés fermions (voir tableau ci-contre).
Le modèle standard possède 19 paramètres libres pour décrire les masses des trois leptons, des six quarks, du boson de Higgs et 8 constantes pour décrire les différents couplages entre particules. La valeur de chacun de ces paramètres n'est pas fixée par des principes premiers mais doit être déterminée expérimentalement.
Le modèle standard n'est pas une théorie complète des interactions fondamentales car elle n'inclut pas la gravitation. Le modèle ne décrit pas la matière noire dont serait composé une grande partie de l'univers. L'oscillation de neutrinos n'est pas correctement décrite, ainsi que la masse non-nulle des neutrinos. Pourtant le modèle standard est reconnu comme étant cohérent et pouvant permettre de résoudre des problèmes aussi difficile que la symétrie CP ou le problème de la hiérarchie.
Pour les théoriciens, le modèle standard est un paradigme de la théorie quantique des champs, qui met en œuvre un large spectre de phénomènes physiques. Il est utilisé pour bâtir de nouveaux modèles qui incluent des particules hypothétiques, des dimensions supplémentaires ou des supersymétries.
Bref historique
L'idée que toute matière est composée de particules élémentaires remonte au moins au VIe siècle av. J.-C.[1]. Au XIXe siècle, John Dalton, au travers de ses travaux sur la stochiométrie, conclut que chaque élément de la nature était composé d'un seul et unique type de particule[2]. Le mot atome, d'après le mot grec ἄτομος, atomos (« indivisible »), renvoie à la plus petite particule d'un élément chimique depuis lors, mais les physiciens découvrirent bientôt que les atomes ne sont pas, en fait, les particules fondamentales de la nature, mais un conglomérat de plus petites particules, tels que les électrons. Les explorations du début du XXe siècle en physique nucléaire et en physique quantique culminèrent avec la découverte de la fission nucléaire en 1939 par Lise Meitner (fondée sur des expériences de Otto Hahn) et de la fusion nucléaire en 1932 par Mark Oliphant ; les deux découvertes ont aussi conduit au développements des armes nucléaires. Le développement des accélérateurs de particules après la Seconde Guerre mondiale, a permis, tout au long des années 1950 et 1960, de découvrir une grande variété de particules lors d'expériences de diffusion profondément inélastique. Il était alors question de « zoo de particules ». Ce terme est tombé en désuétude après la formulation du modèle standard durant les années 1970 dans lequel le grand nombre de particules a été expliqué comme des combinaisons d'un relativement faible nombre de particules.
Fermions
Les particules constituant la matière constituent la première des deux familles de particules élémentaires : les fermions. Les fermions obéissent à la statistique de Fermi-Dirac ; ils sont de spin demi-entier et ne peuvent pas coexister entre eux dans le même état quantique (sur la même orbitale atomique par exemple).
Les particules élémentaires de matière se répartissent en leptons et en quarks, suivant trois générations qui ne diffèrent l'une de l'autre que par la masse, plus élevée à chaque génération. Seules les particules de première génération forment la matière ordinaire. En effet, les particules de deuxième et troisième générations sont instables et se désintègrent rapidement en particules de première génération, plus légères. Les protons sont formés de deux quarks up et d'un quark down, tandis que les neutrons sont formés d'un quark up et de deux quarks down.
Voici un tableau regroupant par génération les différents leptons et quarks. Pour ne pas surcharger ce tableau, les antiparticules n'y sont pas représentées (la charge électrique se mesure en charges élémentaires).
Première génération
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|---|---|---|---|---|---|
| Électron | e | -1 |  |
511 keV/c2 | 1/2 |
| Neutrino électronique | νe | 0 | |
< 225 eV/c2 | 1/2 |
| Quark Up | u | 2/3 | rouge, vert, bleu | ~ 3 MeV/c2 | 1/2 |
| Quark Down | d | -1/3 | rouge, vert, bleu | ~ 6 MeV/c2 | 1/2 |
Deuxième génération
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|---|---|---|---|---|---|
| Muon | μ | -1 | |
106 MeV/c2 | 1/2 |
| Neutrino mu | νμ | 0 | |
< 190 keV/c2 | 1/2 |
| Quark Charm | c | 2/3 | rouge, vert, bleu | ~ 1.3 GeV/c2 | 1/2 |
| Quark Strange | s | -1/3 | rouge, vert, bleu | ~ 100 MeV/c2 | 1/2 |
Troisième génération
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|---|---|---|---|---|---|
| Tau ou Tauon | τ | -1 | |
1,78 GeV/c2 | 1/2 |
| Neutrino tau | ντ | 0 | |
< 18,2 MeV/c2 | 1/2 |
| Quark Top | t | 2/3 | rouge, vert, bleu | 171 GeV/c2 | 1/2 |
| Quark Bottom | b | -1/3 | rouge, vert, bleu | ~ 4.2 GeV/c2 | 1/2 |
Les quarks ne peuvent exister isolément. Ils sont regroupés dans des hadrons dont la découverte a été confirmée. Les hadrons se présentent sous forme de paires quark-antiquark (les mésons), ou de trios de quarks (les baryons).
Bosons
Les bosons sont la deuxième famille des particules élémentaires. Les bosons obéissent à la statistique de Bose-Einstein ; ils sont de spin entier et peuvent coexister entre eux dans le même état quantique (des milliards de photons identiques cohabitant dans un faisceau laser).
Pour chacune des 3 forces fondamentales décrites par le modèle (hors gravitation), un ou plusieurs bosons de jauge constituent les vecteurs ou supports de ces forces. Le boson de Higgs n'est pas un médiateur de force mais son existence est nécessaire au modèle standard et est maintenant prouvée (voir infra).
Ces particules de champ peuvent être réelles ou virtuelles. Dans ce dernier cas, elles ont une durée d'existence extrêmement brève et sont observées indirectement par leur action, qui consiste essentiellement à transmettre les forces fondamentales. C'est d'ailleurs pourquoi ces particules virtuelles sont aussi appelées « particules messagères » ou « médiateurs ».
Photon
- Le photon « γ » (de spin 1, de masse et charge nulles), médiateur de la force électromagnétique.
Bosons faibles
- 3 bosons intermédiaires (de spin 1 et de masse élevée), dits aussi bosons faibles, médiateurs de la force faible : les bosons «
», « 
» et « 
».
Gluons
- 8 gluons (de spin 1 et de masse nulle), médiateurs de la force forte.
Boson de Higgs
Le boson de Higgs (de spin 0, qui est un champ scalaire), est supposé conférer leur masse aux autres particules par un mécanisme de brisure spontanée de symétrie appelé dans ce cadre le mécanisme de Higgs. Ce boson n'a pas encore été officiellement découvert, cependant le CERN a annoncé le 4 juillet 2012 avec une confiance de 5 sigma (99,9999%) avoir découvert grâce au LHC une particule d'une masse de 125,3 GeV⋅c-2 ± 0,6. Cette particule pourrait être le boson de Higgs, mais des études plus poussées restent nécessaires pour pouvoir l'affirmer en toute certitude[3],[4].
Aspects théoriques
Algèbres et théorie des groupes du modèle standard
D'un point de vue mathématique, les théories quantiques des champs ont été formalisées dans le cadre de théories de jauge à l'aide de groupes de symétrie locale prenant la forme de groupes de Lie complexes sous-tendant chacun les symétries de jauge modélisées. Ainsi :
- l'électrodynamique quantique a permis de décrire l'électromagnétisme dans le cadre d'une théorie de jauge abélienne avec le groupe unitaire U(1),
- l'interaction faible a été décrite avec le groupe spécial unitaire SU(2),
- l'interaction électrofaible l'a été avec le groupe de jauge SU(2)× U(1)
- la chromodynamique quantique (interaction forte) l'a été avec le groupe SU(3)
- enfin, le modèle standard a été élaboré avec le groupe de jauge SU(3)×SU(2)×U(1).
Théories physiques du modèle standard
La théorie quantique des champs
La chromodynamique quantique
L'électrodynamique quantique
Le mécanisme de Higgs
Les dix-neuf paramètres libres du modèle standard de la physique des particules
Les dix-neuf paramètres libres du modèle standard sont les masses des neuf fermions, quatre paramètres de la matrice CKM, les constantes de couplages pour les trois forces, l'angle thêta de la chromodynamique quantique et deux paramètres de Higgs.
| Paramètres du modèle standard de la physique des particules | ||
|---|---|---|
| Symbole | Description | Valeur |
| me | Masse de l'électron | 511 keV |
| mμ | Masse du muon | 105,7 MeV |
| mτ | Masse du tau | 1,78 GeV |
| mu | Masse du quark up | 1.9 MeV |
| md | Masse du quark down | 4,4 MeV |
| ms | Masse du quark strange | 87 MeV |
| mc | Masse du quark charm | 1,32 GeV |
| mb | Masse du quark bottom | 4,24 GeV |
| mt | Masse du quark top | 172,7 GeV |
| θ12 | Angle de mélange θ12 de la matrice CKM | 13,1° |
| θ23 | Angle de mélange θ23 de la matrice CKM | 2,4° |
| θ13 | Angle de mélange θ13 de la matrice CKM | 0,2° |
| δ | Paramètre de la violation de la symétrie CP dans la matrice CKM | 0,995 |
| g1 ou g' | Constante de couplage pour le groupe de jauge U(1) (électromagnétisme) | 0,357 |
| g2 ou g | Constante de couplage pour le groupe de jauge SU(2) (interaction faible) | 0,652 |
| g3 ou gs | Constante de couplage pour le groupe de jauge SU(3) (interaction forte) | 1,221 |
| θQCD | Angle thêta de la chromodynamique quantique | ~ 0 |
| v | « Valeur attendue dans le vide » du champ de Higgs | 246 GeV |
| mH | Masse du boson de Higgs | ~ 125 GeV |
Limites et défis du modèle standard
La gravitation
Le modèle standard n'est pas une théorie complète des interactions fondamentales car elle n'inclut pas la gravitation.
Parmi les multiples théories qui tentent d'unifier mécanique quantique et théorie de la relativité, il y a entre autres celle qui envisage l'existence du graviton, un hypothétique boson.
Les 19 paramètres libres
Selon Alain Connes, « personne ne pense que le modèle standard soit le fin mot de l'histoire surtout à cause du très grand nombre de paramètres libres qu'il contient. »[5].
Trois familles de fermions
Le modèle standard ne prédit pas pourquoi il existe trois générations de fermions portant les mêmes charges, mais dans des gammes de masse très différentes. La masse du quark u est de l'ordre du MeV.c-2[6] alors que celle du t est de l'ordre de 170 GeV.c-2. D'autre part, rien ne dit qu'il n'existe pas d'autres familles. En date de 2008, aucune théorie au-delà du modèle standard n'explique de manière précise l'existence de ces trois familles. L'unitarité de la matrice CKM est un test sensible de l'existence d'une autre génération de fermions.
Problèmes de jauges
Le lagrangien de jauge du modèle standard est composé de trois symétries internes aux particules 
, 
et 
. De la même façon que pour les familles de fermions, rien n'interdit l'existence de sous-groupes de symétries. Ceci est d'ailleurs un sujet cher aux théories de grande unification, qui permettent en principe d'expliquer ces symétries en les incluant comme sous-groupes d'un groupe plus large que les trois premiers. Le groupe mathématique 
aurait pu convenir et c'est sur lui que reposait la théorie de la Grande Unification (GUT en anglais). Mais cette symétrie de jauge compliquait le modèle standard en obligeant à postuler 24 bosons, et surtout, elle prédisait la désintégration des protons, qui n'a jamais été observée expérimentalement.
Matière et antimatière
La matière noire
Le modèle ne décrit pas la matière noire dont serait composé une grande partie de l'univers.
La plus légère des hypothétiques particules supersymétriques serait un des candidats[7] pour la matière noire.
Il reste à formuler une théorie complémentaire au modèle standard qui expliquerait pourquoi aucune de ces particules n'a été détectée jusqu'à maintenant (par le LHC ou par un autre détecteur).
Le volume de la charge électrique du proton
Les expériences sur le volume de la charge électrique du proton donnent deux[8] chiffres différents, et les scientifiques ne peuvent pas déterminer si l'erreur est dans les conditions de l'expérience ou si c'est la théorie elle-même qui est incomplète.
Notes et références
- ↑ « Fundamentals of Physics and Nuclear Physics » (Archive • Wikiwix • Archive.is • Google • Que faire ?)
- ↑ « Scientific Explorer: Quasiparticles », Sciexplorer.blogspot.com,
- ↑ CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson(en), PR17.12, 04.07.2012
- ↑ « Communiqué de presse du CERN : Les expériences du CERN observent une particule dont les caractéristiques sont compatibles avec celles du boson de Higgs tant attendu », sur CERN.ch
- ↑ Alain Connes, Triangle de pensées, p. 94.
- ↑ En physique des hautes énergies, l'unité de masse est l'eV.c-2 qui est beaucoup plus pratique à utiliser que le kilogramme. En effet le kilogramme est une unité trop « grande » pour les masses considérées. D'autre part l'eV.c-2 présente l'avantage d'être facilement utilisable dans les équations de la relativité restreinte.
- ↑ Article du CERN Plusieurs théories prédisent une particule supersymétrique qui aurait les caractéristiques de cette hypothétique matière noire
- ↑ Le problème du rayon du proton : des mesures incompatibles, les expériences de Jan Bernauer et Randolf Pohl.
Voir aussi
Bibliographie
- (en) G. Kane, Modern Elementary Particle Physics, Éditions Addison - Wesley Publishing Company, 1987
- (en) P. Langacker et al., Precision tests of the Standard Electroweak Model, seconde édition, Éditions World Scientific, 1998, Advanced series on Directions in High Energy Physics, vol.r14
- F. Cuypers, Au-delà du Modèle Standard, cours de DEA donné à l'Université de Nantes, 1997, non publié
- M. Jacob, Le modèle standard en physique des particules, in pour La Science n° 300, octobre 2002
- Pierre Fayet, Les «sparticules» existent-elles ?, Les dossiers de La Recherche, n° 23, mai 2006, pp 72-74
- Jean Iliopoulos, Dépasser le modèle standard, in Pour La Science n° 361 de novembre 2007, pp 90-96
Liens externes
- pages informative sur de:Yukawa
- (en) Page PDGlive éditée par le Particle Data Group permettant de naviguer dans l'ensemble des données expérimentales de toute la physique des particules (dernière mise à jour: 2009).
- Interview d'Alain Connes sur ce que signifie le modèle standard (voir la partie III).
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