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vendredi 26 février 2016

VERS LA GRANDE UNIFICATION ou Plus que 3 ou 2 interactions...


  Philosophie et rêve d'unification des physiciens.

Les physiciens ont un rêve secret: Parvenir à expliquer l'ensemble des phénomènes de l'Univers avec un minimum d'élément: Réduire le nombre des particules (voir la théorie des supercordes) et le nombre des interactions à l'unité. Cette quête est-elle utopique ou réalisable?
  • L'Univers rescelle-t-il un nombre restreint de lois simples, cachées à nos yeux,  mais accessibles avec notre technologie de plus en plus sophistiquée ?
  • Ou l'Univers est-il infiniment complexe, inconnaissable dans son essence, et ne nous livrant que des bribes de connaissances partielles. Nous serions ainsi tel un spectateur ne connaissant le monde que par des ombres chinoises projetées (le mythe platonicien de la caverne, vous connaissez?)
Les scientifiques, d'un optimisme enthousiaste, parient plutôt pour un Univers connaissable dont l'apparente complexité peut, avec un peu de chance, se réduire à quelques lois physiques basiques. En effet, l'Histoire des sciences de la matière peut donner l'impression d'une évolution vers l'unification:
  • la multiplicité des matériaux naturels (métaux, pierres, liquide...) a été expliqué par la théorie atomique et toute la matière a trouvé ses briques de bases dans le tableau périodique des éléments.
  • Les atomes et les nombreuses particules découvertes avec l'aide des collisionneurs ont été disséquées, classifiées et réduites à un petit nombre dans le Modèle Standard.
La même évolution s'est produite en ce qui concerne les forces qui gouvernent notre Univers:
  • Newton a expliqué en 1687 que la force d'attraction astronomique et la gravité terrestre ne sont qu'une seule et même interaction dite gravitationnelle.
  • Après Oersted, Maxwell a expliqué en 1873 que le magnétisme, l'électricité et la lumière ne sont que les manifestations différentes d'une seule et même interaction dite électromagnétique.
LE GRAND PROJET D'UNIFICATION DES INTERACTIONS
Cette évolution vers l'unification des forces peut actuellement se comprendre selon deux approches différentes:
  • l'approche synthétique: les interactions observables par les physiciens ne seraient que les aspects différents d'une seule et même force originelle (la Superforce!) accessible qu'à de très hautes énergies.
  • l'approche historique: Toutes les interactions étaient unifiées à la naissance du monde (le fameux big bang), mais elles se sont différenciées depuis .
En réalité, ces deux approches ne font qu'une: Pourquoi? Car à l'origine du monde, la densité d'énergie était telle que toutes les interactions étaient effectivement unifiées.
Nous allons donc découvrir les différentes étapes de cette unification des forces, puis découvrir avec émerveillement la naissance du monde avec le big bang...  



 L'interaction électrofaible

Notre Modèle Standard ne décrit donc au final que 4 interactions?
Faux. En réalité, et depuis 1967, les interactions faibles et électromagnétiques ont été unifiées par la théorie de l' interaction électrofaible.





En 1979, deux physiciens américains (Sheldon Lee Glashow et Steven Weinberg) et un physicien pakistanais (Abdus Salam) reçoivent le Prix Nobel de Physique pour leurs travaux théoriques qui unifiaient en 1967 les interactions faible et électromagnétique.
Les interactions sont modélisées par les mathématiques sous forme de champ de forces ayant une "symétrie de jauge". 

Sans rentrer dans le détail et pour vous éviter un bonne migraine, disons que cette symétrie de jauge est "un groupe de transformations mathématiques pour lesquelles la dynamique des particules est invariante".

L'important ici est de comprendre que nos prix Nobel de Physique démontrèrent que les champs de jauge de l'interaction faible étaient structuralement identiques aux champs électromagnétiques. Or la symétrie qu'invoque la théorie électrofaible imposerait 4 bosons médiateurs de masse nulle: le photon, le Zo et les deux W.
Ceci est en contradiction avec les faits. En 1983, Carlo Rubbia a bien découvert au CERN les bosons Zo et W prévus par la théorie, mais ces derniers avaient une masse (prévue!), et même une masse énorme de l'ordre de 90 fois celle du proton! 


Comment dès lors concilier cette masse des Zo et W avec la théorie électrofaible?

Les physiciens sont des malins et ils inventèrent donc un nouveau champ de force appelé champ de Higgs (du nom du physicien écossais Peter Higgs) se manifestant par l'intermédiaire d'un mystérieux boson appelé evidemment boson de Higgs. Ce champ n'agit qu'avec les bosons intermédiaires Zo, W- et Wpour leur donner une masse, mais ne se couple pas avec le photon, préservant ainsi sa masse nulle. Une fois que le champ de Higgs s'est manifesté, les deux interactions, électromagnétique et faible, se distinguent l'une de l'autre. on dit qu'il y a brisure de symétrie.
Dès lors que ce mécanisme de Higgs est introduit dans les équations, la théorie électrofaible fonctionne parfaitement bien. Elle a permis de prédire, avec précision, la masse des bosons intermédiaires bien avant leur découverte par Rubbia.

Seul point faible: le boson de Higgs n'a encore jamais été détecté et son existence est indispensable pour valider la théorie électrofaible. On espère sa découverte grâce au supercollisionneur de hadrons LHC du Cern, opérationnel en 2005.
La découverte du boson de Higgs nécessite en effet des énergies énormes de l'ordre de 100 GeV (GigaélectronVolts). Seul le futur LHC sera capable de recréer en son sein un environnement d'une telle densité d'énergie. Or c'est à cette échelle énergétique que les physiciens pourront peut-être observer l'apparition du boson de Higgs, puisque ces100 GeV correspondent à sa masse estimée (n'oubliez pas E = mc² !). 




  L'interaction électronucléaire

Il nous reste les interactions gravitationnelles, fortes et électrofaibles.
La théorie de l'interaction électronucléaire est aussi nommée Théorie de la Grande Unification ou TGU (ou GUT en anglais). Elle unifie l'interaction forte et électrofaible.




Cette théorie a été proposé pour la première fois par Sheldon Glashow (encore lui) et Howard Georgi en 1973. D'autres versions ont été proposés depuis: la plus en vogue actuellement porte le doux nom de SU(5). Cette interaction n'est possible qu'à des niveaux énormes d'énergie (plus de 1016 GeV pour les connaisseurs!), conditions qui n'existaient qu'au tout début du big bang.

La théorie SU(5) et les leptoquarks

Car cette théorie regrouperait 5 particules (l'électron, le neutrino et les antiquarks d de chaque couleur) en un quintuplet fondamental . Les autres particules seraient groupées dans un décuplet.
La symétrie de la GUT permet l'invariance de la nature par permutation d'un lepton (électron, neutrino...) avec un quark: En clair, les leptons et les quarks du quintuplet seraient transformables les uns avec les autres, et ces transitions pourraient être possible par l'intermédiaire de nouveaux bosons appelés des leptoquarks. Ces leptoquarks seraient ainsi des bosons porteurs d'une charge de couleur et d'une charge électrique fractionnaire.
Cette théorie permettrait d'expliquer le fait troublant que la valeur de la charge électrique négative (Q= -1) d'un électron corresponde à la même valeur (Q= +1) du proton. 


Cette théorie prédit un évènement épouvantable: le proton, symbole de la stabilité de la matière, aurait une durée de vie limitée! Cette durée de vie serait de 1031ans; sachant que l'Univers est né il y a environ 1010 années, il reste de la marge, ouf!
D'énormes piscines-détecteurs de désintégration de proton ont donc été construites: Un proton émet deux photons g et un positron e+ en se désintégrant; or le positron émet un cône lumineux bleu dans l'eau (effet Cerenkov pour les connaisseurs) que des photo-multiplicateurs peuvent détectés. Hélas, pour le moment, aucun résultat positif n'a été annoncé, ce qui rend cette théorie GUT bien moins solide que la théorie électrofaible. 




La théorie GUT pourrait donc unifier toutes les interactions excepté la gravitation.
La théorie qui inclurait la gravitation dans une superforce existe: elle s'appelle la "théorie de Tout". C'est le rêve des physiciens...

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