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Qu'est-ce que le modèle standard ? |
Le modèle standard de la physique des particules (en abrégé "modèle standard") est la théorie actuelle qui permet d'expliquer tous les phénomènes observables à l'échelle des particules. Le modèle standard englobe donc toutes les particules connues ainsi que les trois interactions ayant un effet à l'échelle des particules : l'interaction électromagnétique, l'interaction forte et l'interaction faible. Le modèle standard permet donc d'expliquer tous les phénomènes naturels sauf la gravitation qui, pour l'instant, résiste aux théoriciens pour une théorie quantique...
Le modèle standard est une théorie quantique de champs relativistes, c'est donc une théorie à la fois quantique et relativiste.
Le modèle standard contient deux interactions distinctes : l'interaction forte expliquée par QCD et l'interaction électrofaible qui est une unification de l'interaction faible et de l'électromagnétisme, dont la théorie (QED) est incluse dans cette interaction. Ces interactions sont expliquées par l'échange de bosons de jauge (les vecteurs de cette interaction) entre fermions élémentaires.
Le modèle standard contient aussi le boson BEH, particule qui permet de donner une masse aux autres particules de la théorie (bosons et fermions). Dans le cas des fermions, cela nécessite l'existence d'une nouvelle interaction fondamentale, l'interaction BEH.
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Quelles sont les particules élémentaires ? |
Les particules élémentaires du modèle standard sont au nombre de 25 :
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Un peu d'histoire... |
Le modèle standard est le fruit de plus de quarante années de recherche théorique et expérimentale. Le point de départ est QED, achevée entre 1948 et 1949, qui est la théorie quantique et relativiste de l'interaction électromagnétique. En 1954, C. N. Yang et R. Mills généralisent QED en développant les théories de champs de jauge, outil indispensable pour l'élaboration du modèle standard et, en particulier, la première tentative d'unification des interactions faible et électromagnétique en une théorie électrofaible par S. L. Glashow en 1961.
Le problème principal de la théorie électrofaible de Glashow est que les particules qu'elle décrit sont sans masse, ce qui est en désaccord avec la réalité. En 1967, S. Weinberg et A. Salam modifient ce modèle en y incorporant le boson BEH qui permet de donner une masse aux particules de la théorie.
Finalement, en 1970, S. L. Glashow, J. Iliopoulos et L. Maiani intègrent les quarks à la théorie électrofaible en prédisant l'existence du quatrième quark, le charme. Quelques années plus tard, QCD est ajoutée à la théorie électrofaible pour expliquer l'interaction forte : le modèle standard est achevé.
Une des principales prédictions de la théorie électrofaible est l'existence de l'interaction faible par courant neutre, découverte quelques années plus tard, en 1973, ce qui confirme de manière éclatante ce modèle. L'autre prédiction très importante est l'existence des bosons de jauge W et Z0 responsables des interactions faibles. Leur découverte en 1983 couronne le succès du modèle standard qui reste pour le moment la seule théorie valable.
Finalement, en 2012, la dernière particule prédite par le modéle standard, le boson BEH, est observée au LHC.
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QED ou comment agissent les photons ? |
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Dans l'électrodynamique quantique
(QED),
l'interaction
électromagnétique est expliquée comme
l'échange de photons entre fermions
élémentaires possédant une charge
électrique. Le photon est donc le vecteur de
l'interaction électromagnétique. Le photon n'ayant
pas lui même de charge électrique (il est neutre), les
particules qui échangent des photons conservent leur charge
électrique inchangée après l'échange.
La masse du photon étant nulle, la portée
de l'interaction électromagnétique est
infinie.
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 Schéma d'échange d'un photon (en magenta) entre deux fermions de charges électriques opposées (en rouge et bleu). Le temps va de la gauche vers la droite. |
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QCD ou comment agissent les gluons ? |
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Dans la chromodynamique quantique
(QCD),
l'interaction forte
est expliquée comme l'échange de
gluons
entre fermions
élémentaires possédant une
charge de couleur. Les gluons sont donc les vecteurs
de l'interaction forte. Il existe 8 gluons de charges de couleur
différentes (des combinaisons d'une couleur et d'une
anti-couleur). Seuls les quarks possèdent une charge de couleur, les leptons sont donc neutres vis à vis de l'interaction forte, ils n'y sont donc pas sensibles. La charge de couleur peut prendre trois "valeurs" : elle peut être rouge, verte ou bleue (ces couleurs n'ont rien à voir avec les couleurs visibles, c'est simplement une façon poétique de nommer une notion n'ayant pas d'équivalent à notre échelle). Les gluons possèdent eux-mêmes une charge couleur. Ainsi, lors d'un échange de gluon entre quarks, les quarks échangent leurs couleurs respectives.
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 Schéma d'échange d'un gluon (en orange) entre deux quarks de charges de couleur différentes. L'échange du gluon permet aux deux quarks d'échanger leurs couleurs. Le temps va de la gauche vers la droite. |
Les particules directement observables sont donc les hadrons, c'est à dire des états liés de plusieurs quarks. Ces hadrons doivent être "blancs", c'est à dire avoir une charge de couleur nulle. Ainsi, on peut avoir :
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Comment agissent les W+, W- et Z0 ? |
Dans la théorie électrofaible, l'interaction faible présente deux aspects :
La masse des W et du Z0 est très élevée (80GeV pour les W et 91GeV pour le Z0, soit presque cent fois plus qu'un proton), la portée de l'interaction faible est donc très courte, de l'ordre de 10-18m !
| Les W ont une charge électrique non nulle, ce qui signifie que lors de l'échange d'un W, les fermions changent de charge électrique, ils changent donc aussi de saveur (on appelle la "saveur" d'un fermion sa nature : électron, neutrino, quark u, quark d, etc...). Ainsi, la radio-activité β d'un neutron est expliquée par l'émission d'un W- par un quark d du neutron, qui change donc alors de saveur et devient un quark u, puis le W- se matérialise en un électron et un anti-neutrino électronique. |
 Schéma de désintégration d'un quark d (en rouge) en un quark u (en magenta) avec émission d'un W- (en bleu) qui se matérialise en un électron (en noir) et un anti-neutrino électronique (en blanc). Le temps va de la gauche vers la droite. |
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Qu'est-ce que le boson de Higgs ou boson BEH ? |
Dans la première version du modèle standard, toutes les particules décrites (matière et rayonnement) devaient être de masse nulle. Il est évident que cela posait un problème puisque de nombreuses particules connues ont des masses non nulles mesurées expérimentalement.
Les théoriciens ont alors eu l'idée d'ajouter au modèle une nouvelle interaction de nature un peu différente des deux (forte et électrofaible) autres et une nouvelle particule de spin 0: le boson BEH. Les interactions entre les fermions élémentaires de masse nulle et le boson BEH donnent alors une masse à ces fermions, correspondant donc à la réalité telle qu'elle est observée.
Le nom de ce boson provient des noms des trois théoriciens à l'origine de ce mécanisme : R. Brout, F. Englert et P. Higgs. Il a souvent été appelé "boson de Higgs" dans le passé mais les physiciens préfèrent maintenant l'appeler boson BEH, ou boson H0.
Le modèle standard dans sa forme actuelle contient donc deux éléments liés :
R. Brout étant décédé en 2011, il n'a pas pu bénéficier du prix Nobel de physique attribué à F. Englert et P. Higgs en 2013, à la suite de la découverte de 2012.
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Qu'y a-t-il au-delà du modèle standard ? |
Malgré les grands succès du modèle standard et bien qu'il n'ait jusqu'à présent jamais été mis en échec, le modèle standard n'est pas la théorie ultime de la physique. La raison principale est l'absence de la gravitation dans la théorie. Ensuite, le modèle standard est incapable d'expliquer l'existence des trois familles de fermions, ni de prédire leurs masses. Enfin, il semble naturel de tenter d'unifier toutes les interactions, ce qui a partiellement été fait avec la théorie électrofaible, en une seule interaction universelle (c'est ce qu'on appelle les théories de grande unification).
Ainsi, la recherche continue pour tenter de percer les mystères de la matière, sur le plan expérimental comme sur le plan théorique...
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Pour en savoir plus... |
Si vous voulez en savoir plus sur la recherche du boson de Higgs au LHC, vous pouvez consulter le site suivant:
Si vous voulez en savoir plus sur le CERN et le LHC, vous pouvez consulter le site suivant:
CERN.
Si vous voulez en savoir plus sur le modèle standard et les théories au-delà de ce modèle, vous pouvez consulter le site suivant:
