La physique des particules pour tous - interactions et symétries

Some time ago, I started a series on the basics of particle physics in French. I am happy to release the second of these episodes today in which I will discuss interactions and symmetries in particle physics. More information can be found in the English adaptation of this post.

Dans cet article, comme indiqué dans la courte introduction en anglais, je vais parler des interactions fondamentales, ainsi que de symétries.

Car l’un ne peut vivre sans l’autre au niveau microscopique.

En effet, en physique des particules, tout est symétrie, depuis la nature des particules jusqu’à la façon dont elles vivent, mangent, dansent et respirent. En bref, la façon dont elles interagissent les unes avec les autres.

Le sujet couvrira trois des quatre interactions fondamentales (l’électromagnétisme, les interactions fortes et faibles) et la façon dont le tout fonctionne à l’échelle microscopique. Mais tout d’abord, pourquoi trois et pas quatre?

---

LES 3+1 INTERACTIONS FONDAMENTALES

---

A notre échelle, nous avons plein de moyen d’interagir les uns avec les autres au travers de ce que nous appelons forces. Et il en existe une multitude de nature très différente. Mais lorsque nous prenons les particules élémentaires, la situation est beaucoup plus simple. Les forces ne peuvent être que de nature électromagnétique, forte ou faible. Rien de plus!

Bien sûr, il existe une 4^ème force, la gravité. Au niveau microscopique (et aux échelles d’énergie actuellement sondées expérimentalement), cette dernière ne joue cependant aucun rôle.

A l’échelle de Planck (i.e. à très très haute énergie), la situation est différente car la gravité est beaucoup plus fortement couplée. Par contre, au Grand Collisionneur de Hadrons du CERN ou dans le cadre de toute expérience humainement réalisable aujourd’hui ou dans un futur même assez lointain, on peut simplement ignorer ses effets car ils sont négligeables et imperceptibles.

A côté de cela, inclure la gravité dans le Modèle Standard de la physique des particules reste un problème ouvert. Nous n’y arrivons pas de façon satisfaisante (cela reste un sujet de recherche assez actif).

La solution est donc simple: on oublie la gravité et on accepte le fait qu’à l’échelle de Planck, le Modèle Standard se casse la figure. Par contre, au niveau des expériences actuelles, tout baigne vu que les prédictions théoriques se fichent entièrement des effets gravitationnels. Pas la peine de trop s’inquiéter pour quelque chose que l’on ne sait pas sonder, n’est-ce pas.

Donc voilà: trois interactions.

---

INTERACTIONS ET SYMETRIES

---

Dans le Modèle Standard, les trois interactions fondamentales sont liées au concept des symétries de jauge. Sans entrer dans les détails (car ceci n’est pas un cours de master en physique des particules :p), nous imposons au Modèle Standard de respecter certaines symétries.

Ces symétries vont alors modifier la façon dont les particules vont se propager, en particulier lorsque l’on compare ce qu’il se passe dans le cas où elles n’interagissent pas du tout. Ces modifications sont tout simplement les interactions fondamentales.

En d’autres mots, on peut dire que les interactions fondamentales découlent de principes de symétrie. On prend une théorie sans interaction, on impose quelques symétries de jauge et boum! Le respect de ces principes de symétrie implique les interactions.

Bien que cela peut sembler artificiel, des milliers de mesures prises durant les 40–50 dernières années prouvent que cela marche : il n’y a quasi pas le moindre désaccord entre théorie et expérience. Les symétries de jauge expliquent ainsi (quasi) tous les résultats de physique des particules disponibles.

Mais qu’est-ce qu’une symétrie de jauge en pratique?

Cela nous dit en quelque sorte qu’une interaction entre deux particules élémentaires peut être vue comme un échange d’un boson de jauge entre ces deux particules (voir à droite).

Ici, la balle est notre boson et les deux personnages sont nos particules qui interagissent.

Le contenu en particule du Modèle Standard inclut trois séries de bosons de jauge, une pour chacune des trois interactions fondamentales (voir le bloc mauve à gauche).

De façon plus détaillée, le photon véhicule les interactions électromagnétiques, les bosons W et Z les interactions faibles et les gluons les interactions fortes.

Si nous prenons l’exemple de l’électromagnétisme, les particules chargées (car il faut être chargé pour interagir électromagnétiquement) interagissent en échangeant un ou plusieurs photons.

Les interactions faibles procèdent par l’échange de bosons W et Z qui sont massifs, au contraire du photon qui est de masse nulle. De plus, toutes les particules sont sensibles aux interactions faibles.

Finalement, les gluons sont également non massifs et véhiculent les interactions fortes. Ils permettent de non seulement décrire les interactions fortes au niveau fondamental, mais aussi d’expliquer la cohésion des noyaux atomiques.

---

L’ HYPERCHARGE

---

Mais notre histoire est plus compliquée que cela (sinon cela ne serait pas drôle).

Les données qui sont reproduites et prédites de façon extraordinaire par les symétries de jauge, mis à part une ou deux coquilles. Par exemple, les médiateurs de l’interaction faible ne peuvent être massifs car cela contredirait l’hypothèse des symétries de jauge. Par contre, cela contredit aussi clairement les données. De plus, les propriétés du boson Z ne mène pas à un bon accord théorie-expérience.

Du coup, c’est légèrement embêtant. On a un superbe accord d’un côté et un immense problème de l’autre. Les physiciens d’il y a 50 ans ont alors réfléchi à comment préserver les propriétés des symétries de jauge tout en solutionnant les problèmes.

La solution est au final assez simple. On remplace l’électromagnétisme par des interactions d’hypercharge qui sont véhiculées par un nouveau boson de jauge non massif (en accord avec les hypothèses des symétries de jauge). La force de ces interactions d’hypercharge est ensuite ajustée de manière ad hoc (voir ci-dessus) pour que tout marche bien au final lorsque prédictions (en prticulier pour le boson Z) et données sont comparées.

Le point clé est d’imposer que l’hypercharge et les interactions faibles se mélangent. Si nous prenons les deux bosons neutres associés, notés B et W₃, on obtiendra après mélange le photon de l’électromagnétisme et le boson Z des interactions faibles.

Les propriétés attendues pour le Z et le photon peuvent être en accord avec l’expérience après avoir ajusté les interactions d’hypercharge comme il faut (la façon ad hoc mentionnée ci-dessus).

Le photon et le Z sont alors vus comme ayant chacun un morceau d’hypercharge et un morceau d’interaction faible, comme illustré à droite. Et le plus amusant est qu’avec un mélange adéquat, tout marche comme sur des roulettes lorsque l’on compare expérience et théorie… sauf pour les masses (voir ci-dessous).

C’est pour cette raison que l’on parle d’interactions électrofaibles qui correspondent à cette configuration où électromagnétisme et interactions faibles sont unifiés.

---

ET LE BOSON DE HIGGS DANS TOUT CA?

---

Il nous reste cependant un petit problème à régler. Nous avons trouvé des interactions faibles aux bonnes propriétés grâce à l’hypercharge, mais l’explication de la masse des particules est toujours manquante. On aboutit donc au même problème une fois de plus: garder les symétrie de jauge (car elles marchent de façon géniale) mais arriver en plus à inclure la masse des particules.

Il y a un moyen, qui s’appelle la brisure spontanée de symétrie et qui est bien connu en physique. Lorsqu’on l’applique à l’hypercharge et aux interactions faibles, on retrouve pas mal de choses intéressantes. Tout d’abord, le mélange de ces deux interactions qui avait été mis à la main ci-dessous devient une prédiction. On retrouve donc un boson Z et un photon aux propriétés bien comme il faut automatiquement. Ça, ça fait plaisir déjà.

Ensuite, les masses des particules découlent de cette brisure de symétrie. Deuxième hourra. Il y a cependant un prix à payer: une particule supplémentaire (le boson de Higgs) qui peut être vue comme une relique de ce mécanisme. Les détails seront donnés dans le post suivant.

J’espère que le contenu de cet article était compréhensible et plaisant à lire. J’ai expliqué comment les interactions fonctionnaient au niveau le plus fondamental. J’ai aussi donné quelques élément permettant de comprendre d’où venait le boson de Higgs.

Surtout, ne pas hésiter à me poser des questions ou à jeter un clin d’oeil à ce livre (en anglais) qui devrait être accessible à tous.

---

STEEMSTEM

SteemSTEM vise à bâtir une communauté oeuvrant pour faire de Steem une meilleure place pour les Sciences, les Technologies, l’Ingénierie et les Mathématiques (STEM) et à révolutionner la communication scientifique en faisant de Steem un média idéal servant cette cause. Pour plus d’information, ne pas hésiter à suivre @steemstem ou lire nos dernières nouvelles. Nous avons par exemple récemment développé une app toute neuve, steemstem.io, et nos derniers articles coups de coeur sont disponibles ici.

N’hésitez pas à nous supporter en votant pour notre witness (@stem.witness) ou en délégant à @steemstem (ROI de 65% des gains de curation (liens rapides: 50SP | 100SP | 500SP | 1000SP | 5000SP | 10000SP).