Selon la physique quantique, tout ce qui existe est composé de particules. Matière, lumière, choses visibles et invisibles : toutes ces particules régissent le fonctionnement de l'univers tout entier. Certaines nous sont familières, comme les électrons. D'autres sont plus inhabituelles, comme les quarks. Mais l'idée fondamentale d'une particule est qu'il s'agit d'une entité élémentaire, composée de rien d'autre. On peut décomposer un atome en protons, neutrons et électrons. Mais on ne peut pas décomposer une particule en quoi que ce soit d'autre. Partant de ce constat, examinons quelques-unes des découvertes les plus étonnantes que la science a faites, ou du moins qu'elle croit avoir faites.
10. Particule de Dieu
Quand les scientifiques qualifient une particule de « particule de Dieu », ils lui attribuent en réalité bien plus qu'une simple taille importante. Certes, son nom scientifique est le boson de Higgs, mais le physicien Leon Lederman lui a trouvé un surnom plus accrocheur, car il n'est pas chose aisée de susciter l'intérêt des médias pour les particules.
L'existence du boson de Higgs a été confirmée en 2013. Cependant, sa théorie remontait aux années 1960, ce qui explique la longueur des recherches. Stephen Hawking avait parié 100 dollars qu'il ne serait jamais découvert, et il a perdu son pari. Il a également déclaré que le boson de Higgs détruirait un jour l'univers ; alors, notez-le dans vos agendas.
Après toutes ces explications, on pourrait croire que le boson de Higgs est tout à fait remarquable, et c'est bien le cas. Cependant, il faut un peu de temps pour le comprendre, alors essayons.
Un boson est une particule fondamentale. Les bosons sont responsables de toutes les forces fondamentales de l'univers, telles que l'électromagnétisme et les interactions nucléaires faible et forte.
Le champ de Higgs est un champ d'énergie qui confère une masse à d'autres particules, comme les électrons. En d'autres termes, les bosons de Higgs contribuent à la création de la masse des particules dans l'univers. Ce boson possède une masse importante mais une durée de vie très courte, ce qui le rend difficile à détecter dans la nature. Cependant, son existence confirme une grande partie de nos connaissances sur le Modèle Standard de la physique et contribue à expliquer l'existence même de toute particule. Il pourrait également aider à expliquer la matière noire et à identifier d'autres particules encore inconnues ou incomprises.
Le plus drôle, c'est que Lederman ne l'appelait pas officiellement la particule de Dieu. Il l'appelait la satanée particule, car il était frustré par la difficulté à la détecter. Son éditeur a changé le nom.
9. Tétraquark
On peut plus facilement comprendre les quarks comme les plus petites particules de matière. Un morceau de fer est composé d'atomes de fer. Ces atomes sont eux-mêmes composés d'électrons et de protons. Mais même en les séparant, il resterait des quarks. Ils possèdent une masse et un spin, et il en existe six types, appelés, de façon assez amusante, « saveurs ». Ces saveurs sont regroupées par paires : up et down, up et down, charm et strange. Étrange, n'est-ce pas ? Eh bien, ce n'est pas tout.
En 2021, des scientifiques ont découvert le tétraquark, un hadron exotique composé de deux quarks et de deux antiquarks. Avant cette découverte, cela paraissait impossible. L'idée que des particules puissent se lier entre elles était inconcevable, mais les données obtenues au Grand collisionneur de hadrons (LHC) ont prouvé le contraire.
La découverte du tétraquark offrira aux chercheurs plusieurs nouveaux outils pour mieux comprendre l'interaction forte qui lie les quarks entre eux pour former des neutrons et des protons.
8. Neutrino
Si vous avez regardé des films et séries de science-fiction ces dernières décennies, vous avez forcément entendu le mot « neutrino » plus d'une fois. C'est un terme populaire, et même si la science en elle-même nous échappe, il reste fascinant.
Dans la réalité, les neutrinos ont une existence bien plus intense que la plupart d'entre nous ne pouvons l'imaginer. Ce sont des particules subatomiques nées de cataclysmes galactiques, comme l'explosion d'étoiles. Ils se déplacent à une vitesse proche de celle de la lumière, et bonne chance pour en arrêter un ! Ils peuvent traverser des matériaux comme le plomb aussi facilement qu'on franchit une porte ouverte.
Les neutrinos ont une masse incroyablement faible. Les nombres utilisés pour les décrire restent obscurs pour qui n'a pas de solides connaissances en physique. Ils sont environ 500 000 fois plus petits qu'un électron. Mais contrairement à ce dernier, ils sont également dépourvus de charge électrique. Ainsi, sans masse ni charge, les neutrinos sont pratiquement inexistants. Pourtant, ils sont omniprésents. Le Soleil nous bombarde d'environ un milliard de neutrinos par seconde.
Le fait que les neutrinos possèdent une certaine masse, même microscopique, pourrait expliquer toute la masse de l'univers et pourquoi il y a de la matière tout autour de nous plutôt que de l'antimatière.
7. Muons
Tout comme les quarks, les muons comptent parmi les particules fondamentales de l'existence. Semblables aux électrons, ils sont cependant plus gros et leur masse est 207 fois supérieure. Leur durée de vie est extrêmement courte : ils se désintègrent en électrons et neutrinos en seulement 2,2 microsecondes après leur formation. Ils se forment lorsque les rayons cosmiques entrent en collision avec des particules de notre atmosphère et, durant ces 2,2 microsecondes, ils parviennent à bombarder la Terre et à pénétrer à environ 1,6 kilomètre sous sa surface, grâce à leur vitesse proche de celle de la lumière.
Les recherches menées au Grand collisionneur de hadrons ont montré que les muons ne se comportent pas toujours comme prévu par la science. En clair, ils oscillent. Or, ce n'est pas normal. Cette oscillation suggère l'existence d'une autre particule, insoupçonnée jusqu'alors, qui influence leur fonctionnement.
6. Quarks
Nous avons déjà évoqué le tétraquark, il est donc logique de le décomposer en quarks simples. En décomposant des particules comme les protons et les neutrons, on obtient des quarks et des gluons. Il existe six types de quarks, et ils existent toujours par paires. En fait, les scientifiques ont déjà tenté de séparer un quark de son autre moitié, mais sans succès. Soit ils sont liés, soit ils n'existent pas.
L'interaction des quarks et des gluons est à l'origine de la masse des atomes. Autrement dit, toute la masse de la matière, telle que nous la concevons, provient des quarks et des gluons. Contrairement à la plupart des particules, qui possèdent une charge positive, négative ou neutre, les quarks présentent une caractéristique supplémentaire : ils sont également dotés d'une charge de couleur, liée à la chromodynamique quantique. Cette théorie utilise les couleurs théoriques rouge, bleu ou vert (qui ne correspondent pas à leurs couleurs réelles) pour décrire leurs propriétés quantiques uniques.
5. Gravitons
La science reconnaît quatre forces fondamentales à l'œuvre dans l'univers : les interactions nucléaires faible et forte, l'électromagnétisme et la gravité. Nous comprenons assez bien les trois premières dans la plupart des cas. La gravité, en revanche, reste une énigme.
Nous comprenons comment les photons interagissent avec l'électromagnétisme, comment les quarks et les gluons interagissent avec l'interaction forte, et comment les bosons interagissent avec l'interaction faible. Ce que nous ignorons, c'est ce qui sous-tend la gravité. C'est là qu'interviennent les gravitons, des particules théoriques qui permettent à la gravité d'être une force agissant sur les objets du monde réel. Le problème avec les gravitons, c'est que nous ne savons pas encore s'ils existent. Ils restent théoriques. La science ne peut pas encore expliquer la gravité.
Étonnamment, bien que l'existence des gravitons ne soit pas certaine, nous en savons beaucoup à leur sujet. Nous savons que leur masse est nulle ou quasi nulle et qu'ils se déplacent à la vitesse de la lumière. Alors pourquoi ne pouvons-nous pas les détecter ?
La gravité est la plus faible des quatre forces, ce qui la rend difficile à détecter. On estime qu'un détecteur gravitationnel de la masse de Jupiter, placé près d'un objet supermassif comme une étoile à neutrons, aurait encore du mal à détecter quoi que ce soit.
4. Tachyons
Merci Star Trek Pour populariser les tachyons, du moins dans certains milieux. Ces particules théoriques seraient probablement restées obscures et inconnues si la science-fiction ne s'en était pas emparée en raison de leur nature pour le moins étrange. Il faut simplement se rappeler que, techniquement, elles n'existent pas, mais que certains physiciens pensent le contraire.
La principale caractéristique des tachyons est leur vitesse. Ils voyagent plus vite que la lumière. Ce seul fait a conduit beaucoup à penser que les tachyons ne peuvent pas exister, car rien ne voyage plus vite que la lumière. Mais la physique théorique est prête à tout accepter s'il existe des preuves, alors pourquoi pas ?
Si un tachyon voyage plus vite que la lumière, alors, d'après nos connaissances sur le temps, il peut voyager à rebours dans le temps. On suppose généralement que rien ne peut voyager plus vite que la lumière, car sa masse augmenterait, tout comme l'énergie nécessaire pour le déplacer. À la vitesse de la lumière, on serait pratiquement immobilisé. Mais les tachyons accélèrent en perdant de l'énergie, ce qui signifie qu'ils peuvent franchir cette barrière. C'est aussi ce qui crée tous ces paradoxes temporels que l'on voit au cinéma. Et c'est une bonne raison pour laquelle ils n'existent peut-être tout simplement pas.
Bien sûr, s'ils existent mais se déplacent plus vite que la lumière, il n'est pas surprenant que nous ne les ayons pas encore détectés, et en fait, nous ne les détecterons peut-être jamais précisément pour cette raison.
3. Matière noire
Vous avez probablement déjà entendu parler de « matière noire », mais si vous ne savez pas exactement ce que c'est, rassurez-vous, vous n'êtes pas le seul. La science a du mal à l'expliquer, mais elle apporte des réponses à de nombreuses questions sur le fonctionnement de l'univers ; pour l'instant, elle sert donc de terme d'explication à divers phénomènes cosmiques.
Le mouvement des galaxies, tel qu'on l'observe, est incohérent. Elles se déplacent comme si elles étaient beaucoup plus massives qu'elles n'y paraissent. Il doit exister une source de masse secrète qui assure la cohésion de chaque galaxie : la matière noire.
La matière noire ne réfléchit, n'absorbe ni n'émet d'électromagnétisme, d'où son nom. Elle est essentiellement invisible et donc purement théorique. En revanche, elle émet de la gravité, et c'est elle qui assure la cohésion de l'univers. Et elle est présente en très grande quantité : environ 801 TP3T de la masse totale de l'univers.
2. Particules
Le mot « particule » est génial et évoque Spartacus et les particules, mais il n'en est vrai qu'à moitié. Le « s » signifie en réalité « supersymétrique ». Par exemple, les particules sont des particules supersymétriques, et leur existence pourrait percer les mystères de la physique, comme celle d'une noix de coco.
Aussi utile que soit le Modèle Standard de la physique des particules, comme nous l'avons vu, il comporte de nombreuses lacunes. Qu'est-ce que la matière noire ? Comment fonctionne la gravité ? Qu'est-ce qui provoque l'oscillation des muons ? Des questions subsistent quant à l'origine de la masse, et ainsi de suite. Ces questions sont suffisamment nombreuses pour remettre en cause la validité du Modèle Standard, voire la nécessité d'un modèle entièrement nouveau. À moins, bien sûr, de trouver des réponses, même superficielles.
Nombre de problèmes rencontrés en physique des particules peuvent s'expliquer par la théorie de la supersymétrie. Selon cette théorie, chaque particule devrait avoir un partenaire supersymétrique. Ces particules partenaires pourraient, en théorie, combler toutes sortes de lacunes dans notre compréhension de l'univers. Le Grand collisionneur de hadrons a même été construit dans le seul but de les trouver. Et cela n'a pas fonctionné. Cela ne signifie pas nécessairement que la théorie est fausse ; cela signifie simplement que la physique est complexe et que la compréhension des fondements de la réalité prend du temps.
1. Photons
Ah, le modeste photon ! Tout le monde connaît les photons. Ce sont eux qui constituent la lumière telle que nous la connaissons : de minuscules particules d'énergie électromagnétique qui permettent à la lumière de se comporter à la fois comme une particule et une onde. Bien sûr, les photons ne se limitent pas à la lumière émise par l'écran de votre téléphone et qui atteint vos yeux. Ils sont aussi à l'origine du Wi-Fi qui vous donne accès à Internet, sans oublier les ondes radio, les micro-ondes, les rayons X, les rayons gamma et bien d'autres encore.
Tout ce que nous voyons existe grâce aux photons qui nous permettent de le voir. Ainsi, lorsque nous observons l'Univers et voyons une étoile qui a explosé il y a un milliard d'années, ce sont les photons qui ont parcouru cette distance pour nous parvenir, faisant d'eux les principaux acteurs du monde des particules.