Voyage vers l'infiniment petit
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Modèle Standard

Pour expliquer le temps de vie anormalement long du méson K0, Sheldon Glashow, Jean Iliopoulos et Luciano Maiani postulent en 1970 l'existence d'un quatrième quark, de charge électrique 2/3, appelé charm. En 1975, la découverte du méson J/ψ (formé d'une paire de quarks charm-anticharm), due conjointementaux équipes de Burton Richter (Stanford Linear Collider) et de Samuel Ting (Brookhaven National Laboratory), confirme cette hypothèse.

Jean Iliopoulos (né en 1940), physicien français d'origine grecque, directeur de recherche à l'École normale supérieure. En collaboration avec Glashow et Maiani, il émet l'hypothèse du quark charm. Avec d'autres collaborateurs, il montre que les 3 charges de couleurs en chromodynamique quantique jouent un rôle essentiel dans la renormalisabilité du Modèle Standard et établit un des mécanismes de brisure spontanée de la supersymétrie.

Luciano Maiani (né en 1941), physicien italien, professeur à l'Université de Rome. En collaboration avec Glashow et Iliopoulos, il émet l'hypothèse du quark charm et établit le mécanisme qui porte leurs noms (dit mécanisme de GIM), qui rend compte de transformations de quarks par l'interaction faible.

Burton Richter (né en 1931), physicien américain, professeur à Stanford University. Il découvre en 1974, au SLAC, indépendamment de Samuel Ting, la particule J/ψ, formée d'une paire de quarks charm-anticharm. Prix Nobel de physique en 1976.

Samuel Ting (né en 1936), physicien américain, professeur à l'université de Columbia et au MIT. Il découvre en 1974 à Brookhaven, indépendamment de Burton Richter, la particule J/ψ, formée d'une paire de quarks charm-anticharm. Prix Nobel de physique en 1976.

Le tableau des particules élémentaires prend forme : on les classe par familles : la première comprend les quarks up et down, l'électron et le neutrino électronique. La deuxième famille comprend des quarks charm et strange ainsi que le muon et le neutrino muonique.

En outre des symétries de jauge, qui sont continues, dans la Nature, on rencontre trois symétries discrètes :
- La parité, notée par la lettre P, consiste à inverser les coordonnées spatiales comme un miroir inverse l'image d'un objet. Les interactions électromagnétique et forte sont invariantes par parité, c'est-à-dire qu'il est impossible de distinguer un phénomène physique gouverné par ces interactions de son image dans un miroir. L'interaction faible, au contraire, viole la parité.
- De même, la coordonnée temporelle peut être inversée, comme si l'on déroulait un film à l'envers. Cette symétrie porte le nom d'inversion temporelle et est notée T.
- Enfin, la symétrie de conjugaison de charge, notée C, consiste à remplacer les particules par leur antiparticule. Par exemple, en appliquant la transformation C à un électron, on obtient un positron.

On peut effectuer différentes combinaisons entre ces symétries discrètes : on peut appliquer une conjugaison de charge C puis une inversion temporaire T à un électron. Ou bien on peut combiner ces trois symétries discrètes et montrer que tous les phénomènes décrits par la théorie quantique des champs restent invariants par rapport à la transformation CPT. En d'autres termes, la symétrie CPT est une symétrie exacte. Si nous découvrions un jour un phénomène qui viole la symétrie CPT, les bases de la théorie quantique des champs s'effondreraient. Mais la majorité des physiciens pense qu'un tel phénomène est très improbable vu le grand succès du formalisme mathématique de la théorie de champs pour décrire la nature. Elle implique qu'une particule a la même masse et le même spin que son antiparticule.

L'interaction faible occupe une place particulière : non seulement elle viole la parité P mais elle viole également la CP (combinaison de la conjugaison de charge et de la parité). James W. Cronin et Val Logsdon Fitch sont arrivés à cette conclusion en 1964 en étudiant la désintégration des mésons K, cela reste un des grands mystères de la Nature et il n'y a pas aujourd'hui de théorie satisfaisante pour l'expliquer.

James Cronin (né en 1931), physicien américain, professeur aux universités de Princeton et Chicago, a mis en évidence la violation de la symétrie CP dans les interactions faibles par une série d'expériences aux Laboratoires Brookhaven avec Val Fitch. Prix Nobel de physique en 1980.

Val Fitch (né en 1923), physicien américain, professeur à l'université de Princeton, a mis en évidence la violation CP avec James Cronin. Prix Nobel de physique en 1980.

Des raisons théoriques font que la violation de CP dans les interactions faibles ne peut s'expliquer avec seulement deux familles de particules, il en faut au moins une troisième. Par une série d'expériences effectuées entre 1974 et 1977 aux laboratoires SLAC, Martin Perl met effectivement en évidence un nouveau lepton appelé lepton tau.

Martin Perl (né en 1927), physicien américain, professeur aux universités Michigan et Stanford. Il découvre le lepton tau. Prix Nobel de physique en 1995.

En 1977, aux laboratoires Fermilab, Leon Lederman et ses collaborateurs mettent en évidence le méson Υ (upsilon), formé d'une paire de quarks bottom-antibottom. Enfin, en 1995, toujours à Fermilab, une collaboration internationale met en évidence le quark top.

Tableau des particules élémentaires du Modèle Standard.

On arrive ainsi à la théorie appelée Modèle Standard, qui décrit avec succès trois des quatre interactions fondamentales : forte, faible et électromagnétique. La tableau des particules élémentaires contient trois familles : la première comprend les quarks up et down, et les leptons électron et neutrino électronique ; la deuxième contient les quarks charm et strange, et les leptons muon et neutrino muonique ; la troisième a comme membres les quarks top et bottom et les leptons tau et neutrino tau.

Quatre de ces particules élémentaires suffiraient en principe pour construire le monde qui nous entoure : les quarks up et down, l'électron et le neutrino électronique. Les autres sont instables et se désintègrent pour arriver aux quatre indiquées.

Pourquoi a-t-on besoin de plus de trois quarks ?

Le Modèle Standard est une théorie de jauge fondée sur un groupe de jauge SU(3)xSU(2)xU(1). Le groupe SU(3) décrit l'interaction forte, véhiculée par l'intermède de 8 gluons. Le groupe SU(2)xU(1) décrit l'interaction électrofaible. Par le mécanisme de Higgs, le groupe SU(2)xU(1) se brise dans le groupe U(1) de l'électromagnétisme, dont l'interaction est portée par le photon de masse nulle et donc de portée infinie. Par contre, les bosons W+, W- et Z0 acquièrent une masse, ce qui rend l'interaction faible de courte portée. Le mécanisme de Higgs joue un autre rôle crucial : il permet aux quarks et leptons d'acquérir des masses.

Le boson de Higgs reste encore à mettre en évidence. Les expériences qui seront effectuées au laboratoire européen de particules CERN (Genève) en 2008 et à l'accélérateur Large Hadron Collider, apporteront probablement la mise en évidence expérimentale du boson de Higgs.

Malgré son grand succès, le Modèle Standard n'est pas une théorie complète des particules élémentaires et de leurs interactions fondamentales de la Nature. Il comporte plus d'une vingtaine de paramètres qui doivent être mesurés par des expériences, alors que les physiciens préfèrent toujours expliquer les phénomènes pas un nombre restreint de paramètres. En particulier, le Modèle Standard n'explique pas pourquoi la charge du proton est égale à celle de l'électron (en valeur absolue), alors que toutes les expériences effectuées jusqu'à présent le montrent.

Pourquoi le Modèle Standard n'est pas satisfaisant ?

Le Modèle Standard ne décrit pas l'interaction gravitationnelle. Il est clair qu'une théorie fondamentale doit la prendre en compte. C'est pourquoi les physiciens doivent explorer de nouvelles pistes.