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Aux origines du modèle standard

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Aux origines du modèle standard

Il y a cinquante ans, une équipe française était à l’origine d’une découverte qui conduira à l’élaboration du modèle standard de la physique des particules.

En 1973, grâce à la chambre à bulles Gargamelle, l’équipe d’André Lagarrigue au Cern démontrait l’existence de courants neutres dans l’interaction faible. Un résultat qui permettait d’unifier en une seule théorie deux interactions fondamentales qu’on pensait jusqu’ici distinctes : la force électromagnétique, responsable de l’attraction/répulsion entre particules chargées électriquement, et la force faible, responsable de la radioactivité bêta. Le développement de cette théorie, dite « électrofaible », aboutira quelques années plus tard à l’édification du modèle standard, parachevé en 2012 par la découverte du boson de Higgs, et qui décrit l’ensemble des particules et des forces qui composent et régissant la matière connue.

Désintégration bêta et force faible

La découverte de la « force » faible remonte aux années 1930, quand le physicien Enrico Fermi a proposé l’existence d’une interaction expliquant la désintégration radioactive bêta, qui se manifeste, dans le noyau atomique, par la transformation d’un neutron en proton, accompagnée de l’émission d’un électron et d’un neutrino. À la fin des années 1950, les développements du modèle de Fermi postulent que cette interaction faible est « portée » par une particule médiatrice encore non observée mais baptisée « W » pour « weak ». En effet, selon la théorie quantique des champs, les interactions fondamentales entre particules de matière (aussi appelées « fermions ») sont « portées » par l’échange d’autres particules appelées « bosons ». La portée de ces interactions dépend alors de la masse de la particule médiatrice : plus sa masse est importante, plus la portée de la force sera limitée. Le photon, particule médiatrice de la force électromagnétique, est de masse nulle : la portée de cette interaction est donc infinie.

Le physicien Enrico Fermi devant des étudiants à l’université de Chicago en 1948. Prix Nobel en 1938, il est connu pour ses travaux sur le réacteur nucléaire et la théorie quantique.

Mais le modèle de Fermi posait un problème majeur : « la masse de cette particule médiatrice devait être élevée, en cohérence avec une force de courte portée. Mais une masse non nulle aurait signifié que la symétrie fondamentale de la théorie était brisée, et la description de l’interaction faible par échange de boson ne pouvait plus fonctionner », précise Claude Charlot, directeur de recherche au Laboratoire Leprince-Ringuet à l’École polytechnique.

La théorie électrofaible

La solution au problème sera apportée en 1964, avec le mécanisme de Brout-Englert-Higgs. « Il repose sur deux éléments : un champ quantique nouveau, appelé “champ de Higgs” et une brisure spontanée de la symétrie », note Claude Charlot. Une telle rupture de symétrie se serait manifestée, quelques fractions de secondes après le Big Bang, par un changement brusque de l’état d’énergie minimale de l’Univers ; à l’image d’une balle à l’équilibre sur un col entre deux vallées, qui tomberait d’un côté ou d’un autre pour atteindre un nouvel équilibre, au creux d’une des vallées. L’introduction du mécanisme de Higgs permettait ainsi de ne pas remettre en question la symétrie mathématique de la théorie faible.

Aux bosons électriquement chargés W+ et W- déjà prédits par les théories faibles précédentes, la théorie électrofaible ajoute un troisième intermédiaire, le boson neutre Z0.

Quelques années plus tard, Martinus Veltman et Gerard t’Hooft ont reformulé le modèle pour obtenir des résultats sans infinis dans les calculs. S’appuyant sur ces calculs, Sheldon Glashow, Steven Weinberg et Abdus Salam élaborent la théorie électrofaible. « Aux bosons électriquement chargés W+ et W- déjà prédits par les théories faibles précédentes, la théorie électrofaible ajoute un troisième intermédiaire, le boson neutre Z0 », raconte Delphine Blanchard, doctorante en histoire des sciences au Centre Alexandre Koyré. Un hypothétique boson neutre dont l’existence devrait se manifester par l’observation d’un « courant neutre » en plus des « courants chargés » dus aux bosons W+ et W-.

Le projet Gargamelle

À la fin des années 1960, André Lagarrigue propose alors au Cern une série d’expériences sur l’interaction faible en exposant un faisceau de neutrinos et d’antineutrons dans la chambre à bulles Gargamelle. « L’idée de sa construction est née à la conférence de Sienne en 1963. Elle faisait 4,8 mètres de long, 2 mètres de diamètre et contenait environ 12 mètres cubes de fréon », se rappelle Bernard Degrange, directeur de recherche émérite au CNRS. « Le liquide est préalablement détendu pour être dans un état de pré-ébullition. L’énergie d’ionisation déposée localement par une particule chargée crée des bulles sur son passage. Des flashs éclairent l’intérieur du corps de la chambre et permettent de photographier les traces des particules chargées à l’aide des caméras », explique Claude Charlot.

Installation de la chambre à bulles du détecteur Gargamelle au Cern, en 1970.

Comme les neutrinos ne possèdent pas de charge, ils ne laissent aucune trace dans la chambre. Mais ils interagissent sur les noyaux des atomes constituants du fréon – carbone, fluor et brome – en produisant des particules chargées qui sont détectées. « Le fréon augmente la masse de cible, et donc la probabilité de détecter des interactions neutrinos. C’est aussi un moyen efficace d’identifier les électrons par rayonnement et de détecter par leur conversion en paires e+e- les photons gamma issus de l’interaction des neutrinos ou de la désintégration de particules secondaires. Enfin, la longueur moyenne d’interaction des neutrons dans le fréon est nettement inférieure aux dimensions de Gargamelle, on peut donc détecter leur présence », ajoute le chercheur.

Deux types d’événements recherchés

L’observation des courants neutres ne figurait alors qu’en huitième position sur la liste des choses à faire avec Gargamelle. « Lors des événements dans la chambre à bulles, il y avait huit vues stéréoscopiques, qui nous permettaient d’analyser les résultats sous plusieurs angles différents », se souvient Bernard Degrange. Dès la première expérience de la chambre en 1971, des interactions de neutrinos produisant un muon ou un électron sont observées, signatures du processus de courant chargé. Restaient 20 à 30 % d’événements qui ne comportaient ni muon ni électron à l’état final : ils pouvaient être dus soit à des neutrons, soit aux courants neutres tout récemment prédits. « C’est pourquoi, en 1971, on décide de mesurer aussi ces événements », ajoute Bernard Degrange. Deux types d’événements étaient particulièrement recherchés : l’interaction d’un neutrino avec un électron dans le liquide, et l’interaction d’un neutrino avec un hadron – un proton ou un neutron.

À gauche, vue de l’intérieur de la chambre à bulles de Gargamelle en 1970. À droite, première observation des courants neutres : un neutrino interagit avec un nucléon et réapparaît sous la forme d’un neutrino.

Mais comment savoir si l’on est en présence de courants neutres ou juste d’interactions de neutrons ? « Quand l’interaction de neutrinos produisait un neutron à l’extérieur du volume visible, l’interaction était classée “candidat courant neutre”. D’après les observations, il existait forcément des interactions neutrinos à courant neutre », explique Claude Charlot. Résultat : au mois de juillet 1973, les chercheurs confirmèrent 166 évènements hadroniques et un événement électronique. « Au cours du même mois, l’annonce de la découverte est faite au Cern par Paul Musset, et un papier pour chaque type d’événements sera envoyé à la revue scientifique Physics Letters, publiée le 3 septembre 1973 », résume Delphine Blanchard.

Émergence du modèle standard

En 1974, l’existence des courants neutres est confirmée par le groupe d’Argonne aux États-Unis, utilisant une chambre à hydrogène de 12 pieds, ainsi que par les expériences Harvard-Pennsylvania-Wisconsin et CalTech du laboratoire Fermi, ce qui ouvrira la voie à l’élaboration du modèle standard de la physique des particules. L’observation directe des bosons W et Z en 1983 par les collaborations UA1 et UA2 du Cern – qui vaudra à Carlo Rubia et Simon van der Meer le prix Nobel 1984 –, puis celle du boson de Higgs en 2012 au LHC, qui vaudra le prix Nobel 2013 à François Englert et Peter Higgs – complèteront et conforteront définitivement le modèle.

Une des premières observations d’un boson W, médiateur de la force faible, enregistrée par le détecteur UA1 lors du passage dans le collisionneur proton-antiproton en 1982.

Toutefois, s’il reste à ce jour la meilleure description du monde subatomique, ce modèle standard laisse de nombreuses zones d’ombre : il n’explique par exemple ni les échelles de masses des différentes générations de quarks et de leptons, ni l’origine du champ de Higgs, ni la nature de la matière noire postulée par les astrophysiciens pour expliquer la formation et le maintien des galaxies et des amas galactiques. Autant d’énigmes que devra résoudre la physique du XXIsiècle… ♦
 

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