Les expériences menées au Grand collisionneur de hadrons en Europe, comme le calorimètre ATLAS que l’on voit ici, fournissent des mesures plus précises des particules fondamentales. Crédit : Maximilien Brice, CERN
Si vous demandez à un physicien comme moi d’expliquer comment le monde fonctionne, ma réponse paresseuse pourrait être : “Il suit le modèle standard.”
Le modèle standard explique la physique fondamentale du fonctionnement de l’univers. Il a survécu à plus de 50 voyages autour du Soleil, malgré les physiciens expérimentaux qui cherchent constamment des fissures dans les fondations du modèle.
À quelques exceptions près, il a résisté à cet examen minutieux, passant avec brio les tests expérimentaux les uns après les autres. Mais ce modèle au succès retentissant présente des lacunes conceptuelles qui suggèrent qu’il reste encore un peu à apprendre sur le fonctionnement de l’univers.
Je suis un physicien spécialiste des neutrinos. Les neutrinos représentent trois des 17 particules fondamentales dans le modèle standard. Ils traversent chaque personne sur Terre à tout moment de la journée. J’étudie les propriétés des interactions entre les neutrinos et les particules de matière normale.
En 2021, les physiciens du monde entier ont réalisé un certain nombre d’expériences qui ont permis de sonder le modèle standard. Des équipes ont mesuré les paramètres de base du modèle avec plus de précision que jamais auparavant. D’autres ont étudié les franges de la connaissance où les meilleures mesures expérimentales ne correspondent pas tout à fait aux prédictions du modèle standard. Enfin, des groupes ont mis au point des technologies plus puissantes destinées à pousser le modèle à ses limites et à découvrir potentiellement de nouvelles particules et de nouveaux champs. Si ces efforts portent leurs fruits, ils pourraient conduire à une théorie plus complète de l’univers dans le futur.
Le modèle standard de la physique permet aux scientifiques de faire des prédictions incroyablement précises sur le fonctionnement du monde, mais il n’explique pas tout. Crédit : CERN
Combler les trous du modèle standard
En 1897, J.J. Thomson a découvert la première particule fondamentale, l’électron, en n’utilisant rien d’autre qu’un microscope à balayage. des tubes à vide et des fils de verre. Plus de 100 ans plus tard, les physiciens continuent de découvrir de nouveaux éléments du modèle standard.
Le modèle standard est un cadre prédictif qui fait deux choses. Premièrement, il explique ce que sont les particules de base de la matière. Il s’agit d’éléments comme les électrons et les quarks qui composent les protons et les neutrons. Ensuite, il prédit comment ces particules de matière interagissent entre elles à l’aide de “particules messagères”. Celles-ci sont appelées bosons – elles comprennent les photons et le célèbre boson de Higgs – et elles communiquent les forces fondamentales de la nature. Le boson de Higgs n’était pas… découvert avant 2012 après des décennies de travail à CERNl’énorme collisionneur de particules en Europe.
Le modèle standard est incroyablement bon pour prédire de nombreux aspects de la façon dont le monde fonctionne, mais il a quelques trous.
Notamment, il ne comprend aucune description de la gravité. Alors que la théorie d’Einstein Relativité Générale décrit le fonctionnement de la gravitéles physiciens n’ont pas encore découvert de particule qui transmet la force de gravité. Une véritable “théorie du tout” ferait tout ce que le modèle standard peut faire, mais inclurait également les particules messagères qui communiquent comment la gravité interagit avec d’autres particules.
Une autre chose que le modèle standard ne peut pas faire est d’expliquer pourquoi une particule a une certaine masse – les physiciens doivent mesurer la masse des particules directement en utilisant des expériences. Les physiciens doivent mesurer la masse des particules directement à l’aide d’expériences. Plus les mesures sont précises, meilleures sont les prédictions que l’on peut faire.
Récemment, des physiciens d’une équipe du CERN ont mesuré… la force que le boson de Higgs ressent lui-même.. Une autre équipe du CERN a également mesuré la masse du boson de Higgs. plus précisément que jamais auparavant. Enfin, des progrès ont également été réalisés dans la mesure de la masse des neutrinos. Les physiciens savent que les neutrinos ont une masse supérieure à zéro, mais inférieure à la quantité actuellement détectable. Une équipe en Allemagne a continué à perfectionner les techniques qui pourraient leur permettre de de mesurer directement la masse des neutrinos.
Des projets tels que l’expérience Muon g-2 mettent en évidence les divergences entre les mesures expérimentales et les prédictions du modèle standard qui indiquent des problèmes quelque part dans la physique. Crédit : Reidar Hahn, Fermilab
Indices de nouvelles forces ou particules
En avril 2021, les membres duL’expérience Muon g-2 au Fermilab a annoncé son premier… mesure du moment magnétique du muon. Le muon est l’une des particules fondamentales du modèle standard, et cette mesure de l’une de ses propriétés est la plus précise à ce jour. La raison pour laquelle cette expérience était importante est que la mesure ne correspondait pas parfaitement à la prédiction du moment magnétique du modèle standard. En fait, les muons ne se comportent pas comme ils le devraient. Cette découverte pourrait indiquer des particules non découvertes qui interagissent avec les muons.
Mais simultanément, en avril 2021, le physicien Zoltan Fodor et ses collègues ont montré comment ils ont utilisé une méthode mathématique appelée Lattice QCD pour calculer précisément le moment magnétique du muon. Leur prédiction théorique est différente des anciennes prédictions, fonctionne toujours dans le cadre du modèle standard et, surtout, correspond aux mesures expérimentales du muon.
Le désaccord entre les prédictions précédemment acceptées, ce nouveau résultat et la nouvelle prédiction doit être réconcilié avant que les physiciens ne sachent si le résultat expérimental est vraiment au-delà du Modèle standard.
De nouveaux outils aideront les physiciens à rechercher la matière noire et d’autres éléments qui pourraient contribuer à expliquer les mystères de l’univers. Crédit : Mark Garlick
Améliorer les outils de la physique
Les physiciens doivent osciller entre l’élaboration d’idées hallucinantes sur la réalité qui constituent les théories et l’avancement des technologies jusqu’au point où de nouvelles expériences peuvent tester ces théories. 2021 a été une grande année pour l’avancement des outils expérimentaux de la physique.
Tout d’abord, le plus grand accélérateur de particules du monde, l’accélérateur de particules de l’Union européenne, a été inauguré. Grand collisionneur de hadrons au CERNa été fermé et a fait l’objet d’importantes améliorations. Les physiciens ont redémarré l’installation en octobre, et ils prévoient de commencer le grand collisionneur de hadrons.prochaine collecte de données en mai 2022. Les améliorations ont permis d’augmenter la puissance du collisionneur afin qu’il puisse produire des collisions à 14 TeValors que la limite précédente était de 13 TeV. Cela signifie que les lots de minuscules protons qui se déplacent en faisceaux autour de l’accélérateur circulaire transportent ensemble la même quantité d’énergie qu’un train de voyageurs de 360 000 kilogrammes (800 000 livres) se déplaçant à 160 km/h. À ces énergies incroyables, les physiciens peuvent découvrir de nouvelles particules qui étaient trop lourdes pour être observées à des énergies plus faibles.
D’autres avancées technologiques ont été réalisées pour aider la recherche de la matière noire. De nombreux astrophysiciens pensent que les particules de matière noire, qui ne correspondent pas actuellement au modèle standard, pourraient répondre à certaines questions en suspens concernant la façon dont la gravité se plie autour des étoiles – appelé lentille gravitationnelle – ainsi que la vitesse à laquelle les étoiles tournent dans les galaxies spirales. Des projets tels que la recherche cryogénique de matière noire n’ont pas encore permis de trouver des particules de matière noire, mais les équipes sont en train de mettre au point un système de détection de la matière noire. développent des détecteurs plus grands et plus sensibles qui seront déployés dans un avenir proche.
Le développement d’immenses nouveaux détecteurs, tels que les détecteurs à neutrinos, est particulièrement important pour mon travail sur les neutrinos. Hyper-Kamiokande et DUNE. Grâce à ces détecteurs, les scientifiques pourront, on l’espère, répondre à des questions sur une asymétrie fondamentale dans la façon dont les neutrinos oscillent.. Ils seront également utilisés pour surveiller la désintégration des protons, un phénomène que certaines théories prédisent comme devant se produire.
2021 a mis en évidence certaines des façons dont le modèle standard ne parvient pas à expliquer tous les mystères de l’univers. Mais de nouvelles mesures et de nouvelles technologies aident les physiciens à progresser dans la recherche de la théorie du tout.
Écrit par Aaron McGowan, maître de conférences en physique et astronomie, Institut de technologie de Rochester.
