Un physicien affirme que le modèle standard de la physique des particules pourrait être brisé
“Ce que les résultats illustrent, c’est qu’il existe de multiples voies vers une compréhension plus approfondie de la nouvelle physique.”
Expérience Muon g-2. Fermilab
En tant que physicien travaillant au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du Cern, l’une des questions les plus fréquentes que l’on me pose est “Quand allez-vous trouver quelque chose ?” Résistant à la tentation de répondre sarcastiquement : “À part le boson de Higgs, qui a remporté le prix Nobel, et toute une série de nouvelles particules composites ?” Je me rends compte que la raison pour laquelle cette question est posée si souvent tient à la façon dont nous avons présenté les progrès de la physique des particules au reste du monde.
Nous parlons souvent des progrès en termes de découverte de nouvelles particules, et c’est souvent le cas. L’étude d’une nouvelle particule très lourde nous permet de visualiser les processus physiques sous-jacents, souvent sans bruit de fond gênant. Il est donc facile d’expliquer la valeur de la découverte au public et aux politiciens.
Récemment, cependant, une série de mesures précises de particules et de processus déjà connus et standardisés ont menacé de bouleverser la physique. Et comme le LHC s’apprête à fonctionner à une énergie et une intensité plus élevées que jamais, il est temps de commencer à discuter largement de ses implications.
En vérité, la physique des particules a toujours procédé de deux manières, dont l’une consiste à découvrir de nouvelles particules. L’autre consiste à effectuer des mesures très précises pour tester les prédictions des théories et rechercher les écarts par rapport à ce qui est attendu.
Les premières preuves de la théorie de la relativité générale d’Einstein, par exemple, sont venues de la découverte de petites déviations dans les positions apparentes des étoiles et du mouvement de Mercure sur son orbite.
Trois découvertes clés
Les particules obéissent à une théorie contre-intuitive mais qui connaît un immense succès, la mécanique quantique. Cette théorie montre que des particules bien trop massives pour être fabriquées directement dans une collision en laboratoire peuvent néanmoins influencer ce que font d’autres particules (par le biais de quelque chose appelé “fluctuations quantiques”). Les mesures de ces effets sont toutefois très complexes et beaucoup plus difficiles à expliquer au public.
Mais les résultats récents qui laissent entrevoir une nouvelle physique inexpliquée au-delà du modèle standard sont de ce deuxième type. Des études détaillées menées dans le cadre de l’expérience LHCb ont révélé qu’une particule appelée quark de beauté (les quarks constituent les protons et les neutrons du noyau atomique) se “désintègre” (se désagrège) en un électron beaucoup plus souvent qu’en un muon – le frère ou la sœur de l’électron, plus lourd mais par ailleurs identique. Selon le modèle standard, cela ne devrait pas se produire, ce qui laisse penser que de nouvelles particules ou même des forces de la nature pourraient influencer le processus.
LHCb experiment. Cern
Il est toutefois intriguant de constater que les mesures de processus similaires impliquant des “quarks supérieurs” effectuées par l’expérience ATLAS au LHC montrent que cette désintégration se produit à un rythme égal pour les électrons et les muons.
Parallèlement, l’expérience Muon g-2 au Fermilab, aux États-Unis, a récemment étudié de manière très précise la façon dont les muons “oscillent” lorsque leur “spin” (une propriété quantique) interagit avec les champs magnétiques environnants. Elle a constaté un écart faible mais significatif par rapport à certaines prédictions théoriques, ce qui suggère une fois de plus que des forces ou des particules inconnues pourraient être à l’œuvre.
Le dernier résultat surprenant est une mesure de la masse d’une particule fondamentale appelée boson W, qui véhicule la force nucléaire faible qui régit la désintégration radioactive. Après de nombreuses années de collecte et d’analyse de données, l’expérience, également menée au Fermilab, suggère que le boson W est nettement plus lourd que ce que prévoit la théorie – avec un écart qui ne serait pas le fruit du hasard dans plus d’un million d’expériences. Là encore, il se peut que des particules non encore découvertes s’ajoutent à sa masse.
Il est toutefois intéressant de noter que ces résultats sont également en désaccord avec certaines mesures de moindre précision effectuées par le LHC (présentées dans cette étude et celle-ci).
Le verdict
Bien que nous ne soyons pas absolument certains que ces effets nécessitent une nouvelle explication, il semble de plus en plus évident qu’une nouvelle physique est nécessaire.
Bien sûr, il y aura presque autant de nouveaux mécanismes proposés pour expliquer ces observations qu’il y a de théoriciens. Beaucoup se tourneront vers diverses formes de “supersymétrie”. Il s’agit de l’idée qu’il y a deux fois plus de particules fondamentales dans le modèle standard que nous le pensions, chaque particule ayant un “superpartenaire”. Il peut s’agir de bosons de Higgs supplémentaires (associés au champ qui donne leur masse aux particules fondamentales).
D’autres iront plus loin, en invoquant des idées moins récemment à la mode, comme le “technicolor”, qui impliquerait l’existence d’autres forces de la nature (en plus de la gravité, de l’électromagnétisme et des forces nucléaires faibles et fortes), et pourrait signifier que le boson de Higgs est en fait un objet composite composé d’autres particules. Seules les expériences révéleront la vérité sur cette question – ce qui est une bonne nouvelle pour les expérimentateurs.
Les équipes expérimentales à l’origine de ces nouvelles découvertes sont toutes très respectées et travaillent sur ces problèmes depuis longtemps. Cela dit, ce n’est pas leur manquer de respect que de noter que ces mesures sont extrêmement difficiles à réaliser. Qui plus est, les prédictions du modèle standard nécessitent généralement des calculs où des approximations doivent être faites. Cela signifie que différents théoriciens peuvent prédire des masses et des taux de désintégration légèrement différents selon les hypothèses et le niveau d’approximation retenus. Il se peut donc que, lorsque nous effectuerons des calculs plus précis, certaines des nouvelles découvertes s’accordent avec le modèle standard.
De même, il se peut que les chercheurs utilisent des interprétations subtilement différentes et obtiennent ainsi des résultats incohérents. La comparaison de deux résultats expérimentaux nécessite de vérifier soigneusement que le même niveau d’approximation a été utilisé dans les deux cas.
Il s’agit là de deux exemples de sources d’“incertitude systématique” et, bien que toutes les parties concernées fassent de leur mieux pour les quantifier, il peut y avoir des complications imprévues qui les sous-estiment ou les surestiment.
Cela ne rend pas les résultats actuels moins intéressants ou moins importants. Ce qu’ils illustrent, c’est qu’il existe de multiples voies vers une compréhension plus approfondie de la nouvelle physique, et qu’elles doivent toutes être explorées.
Avec le redémarrage du LHC, il y a encore des chances que de nouvelles particules soient produites par des processus plus rares ou qu’elles soient cachées dans des arrière-plans que nous n’avons pas encore découverts.
Source : The Conversation – Traduit par Anguille sous roche
