Comment notre monde fonctionne-t-il au niveau subatomique ?
Le modèle standard. Quel nom ennuyeux pour la théorie scientifique la plus précise connue des êtres humains.
Plus d’un quart des prix Nobel de physique du siècle dernier sont des contributions directes au modèle standard ou des résultats directs de celui-ci. Pourtant, son nom suggère que si vous pouvez vous permettre quelques dollars supplémentaires par mois, vous devriez acheter la mise à niveau. En tant que physicien théoriqueje préférerais La théorie absolument stupéfiante de presque tout. C’est ce qu’est vraiment le modèle standard.
Nombreux sont ceux qui se souviennent de l’excitation des scientifiques et des médias à l’annonce de la découverte de 2012 du modèle standard. découverte du boson de Higgs en 2012. Mais cet événement tant annoncé n’est pas tombé du ciel : il a couronné une série de cinq décennies d’invincibilité du modèle standard. Toutes les forces fondamentales, à l’exception de la gravité, y sont incluses. Toutes les tentatives de le renverser pour démontrer en laboratoire qu’il doit être considérablement remanié – et il y en a eu beaucoup au cours des 50 dernières années – ont échoué.
En résumé, le modèle standard répond à cette question : De quoi tout est fait, et comment cela tient-il ensemble ?
Les plus petits éléments constitutifs
Vous savez, bien sûr, que le monde qui nous entoure est fait de molécules, et que les molécules sont faites d’atomes. Chimiste Dmitri Mendeleev a découvert dans les années 1860 comment organiser tous les atomes – c’est-à-dire les éléments – dans le tableau périodique que tu as probablement étudié au collège. Mais il existe 118 éléments chimiques différents. Il y a l’antimoine, l’arsenic, l’aluminium, le sélénium … et 114 autres.
Mais ces éléments peuvent être décomposés davantage. Crédit : Rubén Vera Koster
Les physiciens aiment les choses simples. Nous voulons réduire les choses à leur essence, à quelques éléments de base. Plus de cent éléments chimiques, ce n’est pas simple. Les anciens croyaient que tout était fait de seulement cinq éléments – la terre, l’eau, le feu, l’air et l’éther.. Cinq est beaucoup plus simple que 118. C’est aussi faux.
En 1932, les scientifiques savaient que tous ces atomes sont constitués de seulement trois particules – neutrons, protons et électrons. Les neutrons et les protons sont étroitement liés entre eux dans le noyau. Les électrons, des milliers de fois plus légers, tournent autour du noyau à une vitesse proche de celle de la lumière. Physiciens Planck, Bohr, Schroedinger, Heisenberg et ses amis avaient inventé une nouvelle science – la mécanique quantique – pour expliquer ce mouvement.
Cela aurait été un endroit satisfaisant pour s’arrêter. Juste trois particules. Trois est encore plus simple que cinq. Mais liées ensemble comment ? Les électrons chargés négativement et les protons chargés positivement sont liés par… électromagnétisme. Mais les protons sont tous regroupés dans le noyau et leurs charges positives devraient les éloigner fortement les uns des autres. Les neutrons neutres ne peuvent rien faire.
Qu’est-ce qui lie ces protons et neutrons ensemble ? “Intervention divine” m’a dit un homme au coin d’une rue de Toronto ; il avait une brochure, je pourrais tout lire à ce sujet. Mais ce scénario me semblait très compliqué, même pour un être divin : surveiller chacun des 108° protons et neutrons de l’univers et les plier à sa volonté.
L’expansion du zoo des particules
Pendant ce temps, la nature a cruellement refusé de limiter son zoo de particules à trois. Vraiment quatre, car nous devrions compter les photonla particule de lumière qui Einstein a décrite. Quatre sont devenus cinq lorsque Anderson a mesuré des électrons à charge positive – les positrons – frappant la Terre depuis l’espace. Au moins Dirac avait prédit ces premières particules d’anti-matière. Cinq est devenu six quand le pion, qui Yukawa avait prédit qu’il tiendrait le noyau ensemble, a été trouvé.
Puis vint le muon – 200 fois plus lourd que l’électron, mais autrement jumeau. “Qui a commandé ça ?” I.I. Rabi a plaisanté. Voilà qui résume bien la situation. Numéro sept. Non seulement pas simple, mais redondant.
Dans les années 1960, il y avait des centaines de particules “fondamentales”. A la place du tableau périodique bien organisé, il n’y avait que de longues listes de baryons (particules lourdes comme les protons et les neutrons), de mésons (comme les neutrons et les protons), d’atomes et de particules. YukawaYukawa) et de leptons (particules légères comme l’électron, et les insaisissables neutrinos) – sans qu’il soit possible de les distinguer.organisation et aucun principe directeur.
C’est dans cette brèche qu’est apparu le modèle standard. Ce n’est pas un éclair de génie qui s’est produit du jour au lendemain. Aucun Archimède n’est sorti d’une baignoire en criant “eurêka”. Au contraire, c’est une série d’intuitions cruciales de quelques individus clés au milieu des années 1960 qui a transformé ce bourbier en une théorie simple, puis cinq décennies de vérification expérimentale et d’élaboration théorique.
Le modèle standard des particules élémentaires fournit une liste d’ingrédients pour tout ce qui nous entoure. Crédit : Fermi National Accelerator Laboratory
Quarks . Ils existent en six variétés que l’on appelle des parfums. Comme la crème glacée, mais pas aussi savoureuse. Au lieu de vanille, chocolat et ainsi de suite, nous avons haut, bas, étrange, charme, bas et haut. En 1964, Gell-Mann et Zweignous ont appris les recettes : Mélangez et associez trois quarks pour obtenir un baryon. Les protons sont deux quark haut et un quark bas liés ensemble ; les neutrons sont deux quark bas et un haut. Choisissez un quark et un antiquark pour obtenir un méson. Un pion est un quark haut ou un quark bas lié à un anti-haut ou un anti-bas. Toute la matière de notre vie quotidienne est constituée de quarks et d’anti-quarks et d’électrons.
C’est simple. Enfin, assez simple, car garder ces quarks liés est un exploit. Ils sont si étroitement liés les uns aux autres que vous ne trouverez jamais un quark ou un anti-quark seul. La théorie de cette liaison, et les particules appelées gluons (rires) qui en sont responsables, s’appelle chromodynamique quantique. Il s’agit d’une pièce essentielle du modèle standard, mais elle est mathématiquement difficile, posant même un problème non résolu de mathématiques de base. Nous, les physiciens, faisons de notre mieux pour calculer avec elle, mais nous sommes encore en train d’apprendre comment.
L’autre aspect du modèle standard est “Un modèle de leptons .” C’est le nom de l’article historique de 1967 de Steven Weinberg qui a rassemblé la mécanique quantique et les éléments essentiels de la connaissance de l’interaction des particules pour les organiser en une seule théorie. Il a incorporé l’électromagnétisme familier, l’a associé à ce que les physiciens appellent “la force faible”, qui provoque certaines désintégrations radioactives, et a expliqué qu’il s’agissait de différents aspects de la même force. Elle a incorporé la Mécanisme de Higgs pour donner une masse aux particules fondamentales.
Depuis lors, le modèle standard a prédit les résultats d’expériences successives, y compris la découverte de plusieurs variétés de quarks et du mécanisme de Higgs. bosons W et Z – particules lourdes qui sont pour les interactions faibles ce que le photon est pour l’électromagnétisme. La possibilité que les neutrinos ne soient pas sans massea été négligée dans les années 1960, mais s’est glissée facilement dans le modèle standard dans les années 1990, avec quelques décennies de retard.
Vue 3D d’un événement enregistré à l’accélérateur de particules du CERN montrant les caractéristiques attendues de la désintégration du boson de Higgs SM en une paire de photons (lignes jaunes pointillées et tours vertes). Crédit : McCauley, Thomas ; Taylor, Lucas ; pour la collaboration CMS CERN.
La découverte du boson de Higgs en 2012, prédite depuis longtemps par le modèle standard et longtemps recherchée, a été une émotion mais pas une surprise. Il s’agissait d’une nouvelle victoire cruciale du modèle standard sur les forces obscures que les physiciens des particules n’ont cessé d’avertir qu’elles se profilaient à l’horizon. Préoccupés par le fait que le modèle standard ne répondait pas à leurs attentes en matière de simplicité, inquiets de son autoconsistance mathématique ou prévoyant la nécessité éventuelle d’intégrer la force de gravité, les physiciens ont fait de nombreuses propositions de théories au-delà du modèle standard. Ces théories portent des noms passionnants comme Grandes théories unifiées, Supersymétrie, Technicoloret Théorie des cordes .
Malheureusement, du moins pour leurs partisans, les théories au-delà du modèle standard n’ont pas encore réussi à prédire un nouveau phénomène expérimental ou une divergence expérimentale avec le modèle standard.
Après cinq décennies, loin d’avoir besoin d’une mise à jour, le modèle standard est le suivant digne d’être célébrécomme la Théorie Absolument Étonnante de Presque Tout.
Écrit par Glenn Starkman, professeur distingué de physique, Case Western Reserve University.
