Au-delà du modèle standard ? Voici ce que signifie un boson W lourd pour l’avenir de la physique

Nous pourrions avoir à repenser la nature de la réalité.

La couverture de l’édition actuelle de Science, la revue phare de l’American Association for the Advancement of Science, vieille de 142 ans et l’une des meilleures revues universitaires au monde évaluées par des pairs, parvient à transmettre une découverte majeure contenue dans ses pages.

Un gros “W” en béton trône sur les restes brisés d’une table qui avait soigneusement résumé le schéma complexe de 17 particules qui, selon la plupart des physiciens, constituent les éléments de base de la matière.

Sous l’image, on peut lire : “Poids lourd : La masse du boson W est plus élevée que prévu.”

Cette découverte fait l’objet d’un traitement à la Muhammad Ali parce que la théorie que la table brisée représente – le modèle standard de la physique des particules – est “à tous égards, la théorie scientifique la plus réussie de tous les temps”, selon David Tong, physicien théoricien de l’université de Cambridge. “Elle donne la réponse correcte à des centaines de milliers d’expériences, dans certains cas avec une précision sans précédent dans la science.”

Mais cette fois, ce n’est pas le cas.

Interesting Engineering s’est entretenu avec le physicien des particules Ashutosh Kotwal, auteur principal de l’article, pour savoir pourquoi cette découverte est si importante et comment son équipe a réussi un tel exploit d’ingénierie.

La physique élémentaire à l’origine de la recherche de pointe

Si vous voulez avoir une idée du temps nécessaire au traitement des chiffres et à la double vérification qu’exige la physique moderne, pensez à ceci. Les données qui sous-tendent ce nouvel article fantastiquement provocateur ont été recueillies il y a plus de dix ans.

Entre 2002 et 2011, des chercheurs du Fermilab du ministère de l’énergie ont envoyé des particules subatomiques dans un accélérateur de particules appelé Tevatron. Leur travail consistait à observer de très près ce qui se passait juste après que les particules se soient écrasées les unes sur les autres. Encore et encore et encore.

“Lorsque les protons et les antiprotons entrent en collision, de nombreuses particules s’échappent”, explique Kotwal. “Dans une collision donnée, il y a peut-être 30 ou 50 particules qui s’envolent. Vous voulez mesurer l’énergie, la position et la direction de chacune d’entre elles”, explique-t-il.

Pendant que les expériences se déroulaient, le Tevatron était l’accélérateur de particules le plus puissant du monde. C’était la pointe absolue de la science, mais les chercheurs s’appuyaient sur des concepts de physique élémentaire.

“Si vous ouvrez un manuel de physique de premier cycle, il est dit que les particules chargées se déplacent en cercle lorsqu'[elles] traversent un champ magnétique. Ce que l’on peut faire, c’est… mettre couche après couche de capteurs de position [dans l’accélérateur de particules]. Ainsi, lorsqu’une particule chargée traverse l’accélérateur, l’endroit où elle est passée est enregistré”, explique M. Kotwal.

Ces capteurs ont enregistré des quantités de données que les ordinateurs ont interprétées, un peu comme une sorte de jeu de connexion de haute technologie. Mais au lieu d’un dessin linéaire bidimensionnel d’une grenouille cool, ces motifs ont produit des cercles dont les dimensions précises contenaient des informations précieuses.

“Selon les manuels de physique, si l’on peut mesurer précisément le rayon de ce cercle et si l’on connaît précisément l’intensité du champ magnétique, on peut les combiner dans une formule simple [pour déterminer] l’énergie de la particule”, a-t-il expliqué.

L’étude des particules subatomiques requiert une précision incroyable

Les chercheurs ont utilisé environ 30 000 capteurs pour mesurer les rayons de ces cercles. Étant donné que la mesure d’un élément aussi minuscule qu’une particule subatomique dépend de la précision de ces mesures, il est absolument essentiel de savoir exactement – avec un niveau de précision requis dans pratiquement toutes les autres circonstances – où se trouve chaque capteur.

Kotwal et son équipe se sont appuyés sur une source naturelle de particules – les rayons cosmiques – pour les aider à aligner leurs capteurs avec plus de précision que jamais auparavant. La Terre est constamment bombardée par des fragments d’atomes à haute énergie provenant d’explosions de supernovas (et peut-être d’autres endroits aussi, mais les scientifiques n’en sont pas tout à fait sûrs). Certaines de ces particules sont des protons. Lorsqu’ils entrent en collision avec des atomes de la haute atmosphère terrestre, les protons se brisent pour former des particules subatomiques appelées muons, qui appartiennent à la même classe que les électrons mais sont environ 200 fois plus gros (les muons et les électrons font partie des 17 constituants du modèle standard).

Ces muons se déplacent à une vitesse proche de celle de la lumière et ils sont incroyablement abondants. Si vous tenez votre main parallèlement au sol, un muon la traverse en moyenne toutes les secondes. Cela signifie qu’ils traversaient constamment le Tevatron.

“Nous les traitons comme des lignes droites [et] utilisons ces lignes pour aligner nos capteurs”, explique Kotwal.

“Nous avons démontré que nous pouvions les aligner avec une précision d’un micron chacun. Auparavant, la précision était de trois ou quatre microns”, ajoute-t-il. À titre de référence, une mèche de cheveux a une épaisseur d’environ 100 microns.

Les chercheurs ont apporté plus d’une douzaine d’améliorations de ce type depuis la dernière fois qu’ils ont réalisé ce type d’expérience. “Nous décrivons chacune d’entre elles, l’impact qu’elle a eu et pourquoi… par rapport à la dernière fois”, précise-t-il.

Comment cette découverte s’inscrit-elle dans le contexte général ?

Jusqu’en 1900 environ, les lois de la nature auxquelles les physiciens croyaient auraient également eu du sens (plus ou moins) pour les non-physiciens. Puis, deux idées totalement contre-intuitives – la mécanique quantique et la relativité – ont fait irruption sur la scène et ont permis des prédictions si précises que les physiciens sérieux n’ont eu d’autre choix que de les prendre au sérieux.

Plus d’un siècle plus tard, les chercheurs sont toujours à la recherche d’un moyen de réunir ces théories en une “théorie du tout” parfaite. Mais il y a un siècle, le physicien Paul Dirac s’en est approché. Il a “élaboré une théorie commune” qui combinait les principes des deux approches, explique Kotwal.

Très tôt, il est apparu que son approche consistant à utiliser les mathématiques pour découvrir des vérités profondes sur la nature de la matière était payante.

“L’une des choses fantastiques issues des travaux de Dirac a été la prédiction de l’existence d’une chose comme l’antimatière”, dit-il. Cette prédiction provenait d’équations qui impliquaient qu’une particule devait avoir une particule correspondante qui était son miroir opposé.

“Et assez rapidement, l’antiélectron – le positron – a été découvert”, ajoute-t-il.

Au fil des décennies, la théorie de base de Dirac s’est enrichie au fur et à mesure des progrès réalisés par les physiciens. Ils ont été aidés par le fait qu’une certaine branche des mathématiques – la théorie des groupes – semblait sous-tendre un grand nombre des fils disparates qu’ils tiraient.

La théorie s’est transformée en un ensemble de “principes cohérents décrivant collectivement toute la matière que nous connaissons, toutes les forces… et toutes les interactions entre la matière et les forces”, explique Kotwal. “C’est ainsi qu’elle est devenue progressivement de plus en plus englobante.”

Le modèle standard est né

Mais il y avait un problème.

“Une chose qui empêche [cette théorie] de fonctionner – je vais le dire avec force – qui l’empêche de fonctionner, c’est le fait que les particules ont des masses”, dit Kotwal. En ajoutant des masses à l’équation, la théorie s’est “effondrée”.

Mais ce n’était pas la fin de l’équation. “Certaines personnes ont compris qu’il n’était pas nécessaire de rejeter toute la théorie qui fonctionnait déjà bien. Il suffit de la modifier légèrement”, explique Kotal. Cette modification a pris la forme d’une nouvelle particule : le boson de Higgs, alors inconnu.

“C’est à ce moment-là qu’est né ce que nous appelons aujourd’hui le modèle standard, car il a permis de résoudre une autre énigme, à savoir comment les masses apparaissent dans ce tableau global”, explique-t-il.

Ce point de vue a été confirmé plus tard, en 2012, lorsque le boson de Higgs a été observé pour la première fois. Cela s’est produit dans le Grand collisionneur de hadrons, deux ans seulement après que cet accélérateur ait usurpé au Tevatron le titre de plus puissant au monde.

Le modèle standard n’explique pas absolument tout. Il ne peut pas rendre compte de la matière noire, du rapport entre la matière ordinaire et l’antimatière, de certains aspects du boson de Higgs ou, surtout, de la gravité. Mais il explique à peu près tout le reste.

Alors, qu’est-ce que le boson W ?

Les protons et les neutrons – les particules regroupées comme des raisins dans le noyau d’un atome – ne font pas partie des 17 particules du modèle standard. C’est parce qu’ils sont constitués de particules encore plus petites, appelées quarks.

Les protons et les neutrons sont constitués de trois quarks chacun (c’est-à-dire que le nombre total de quarks moins le nombre total d’antiquarks est toujours de trois). Cependant, c’est le troisième quark, très important, qui détermine si une particule est un proton ou un neutron. Cette différence est énorme, car les protons ont besoin de neutrons pour s’assembler et former autre chose que de la soupe subatomique.

“Tous les éléments que nous connaissons contiennent des neutrons ainsi que des protons”, explique Kotwal. “Sans [neutrons], le noyau de l’atome ne peut pas se former.”

Le boson W est si important car il transforme ce troisième quark dans un proton et convertit le tout en un neutron. Ce n’est pas quelque chose qui se produit dans la vie de tous les jours, mais c’est absolument essentiel. Sans le boson W, rien n’existerait tel que nous le connaissons.

L’Univers “n’aurait été que protons et électrons. Il n’y aurait eu que de l’hydrogène, de l’hydrogène partout. Rien de l’univers que nous voyons autour de nous – toute cette richesse, toute cette complexité, nous – n’aurait pu se produire… sans l’échange du boson W”, dit-il.

Cette nouvelle découverte porte-t-elle un coup fatal au modèle standard ?

Il est impossible de dire ce que ces nouvelles découvertes signifieront en définitive pour la physique. D’une part, elles doivent être confirmées. “Bien qu’il s’agisse d’un résultat intriguant, la mesure doit être confirmée par une autre expérience avant de pouvoir être interprétée pleinement”, déclare Joe Lykken, directeur adjoint du Fermilab.

Ensuite, il appartiendra aux physiciens théoriciens de donner un sens à cette nouvelle masse, légèrement plus importante. Il est possible que les nouveaux résultats s’intègrent dans les équations. Ils “examineront attentivement les calculs du modèle standard pur pour voir s’il y a une marge de manœuvre”, explique M. Kotwal. Bien que cela semble peu probable, le modèle standard est incroyablement complexe.

D’autres théoriciens se pencheront probablement sur des “extensions” de la théorie qui mettraient à jour les équations pour refléter les nouvelles découvertes. Ce ne serait guère la première fois que de nouvelles informations conduisent les physiciens à réimaginer cette équation à la lumière de nouvelles preuves.

Et finalement, il y aura d’autres expériences. Le Grand collisionneur de hadrons, par exemple, est en train de se pencher sur ces mêmes questions.

“Il s’agit d’un élément déclencheur qui nous incite tous à penser de manière plus large”, déclare M. Kotwal. “J’aime à dire qu’il ne faut négliger aucune piste. C’est notre raison d’être. Alors, allons faire tout ce que nous pouvons faire. De temps en temps, la nature nous montre le prochain mystère. Peut-être que c’est au coin de la rue… C’est l’histoire du modèle standard. De nouveaux mystères sont apparus [et] les gens ont compris ce qu’ils signifiaient.”

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Source : Interesting Engineering – Traduit par Anguille sous roche