Une vue de la partie supérieure de la cuve de Super Kamiokande en juin 2006. Elle contient 50.000 tonnes d'eau avec tout autour des détecteurs épiant la lumière Cerenkov que peuvent provoquer certains événements dans le monde subatomique, comme des protons qui se désintègrent. © Carsten Frenzi, Flickr, CC by 2.0

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Quand les protons disparaîtront-ils de l'univers ?

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Des théories proposées depuis les années 1970 pour unifier les forces de la nature prédisent que le proton est instable. Un jour, tous les noyaux de l'univers observable n'existeront donc plus si l'une de ces théories est exacte. On cherche à vérifier cette prédiction avec des expériences comme celle de Super Kamiokande. Elles indiquent pour le moment que sa durée de vie doit être supérieure à un million de milliards de milliards de milliards d'années.

Article paru le 30 octobre 2014

On fête cette année les 60 ans du Cern. Or il y a à peine plus de 40 ans, une des expériences de ce laboratoire mondialement célèbre en physique des particules permettait de vérifier l'existence des courants neutres. Il s'agissait d'une des prédictions de la théorie de Glashow-Salam-Weinberg qui permet d'unifier jusqu'à un certain point les forces nucléaires faible et électromagnétique. Ces courants neutres impliquaient l'existence d'un cousin massif du photon, le boson Z, ainsi que celles d'autres bosons dont l'un est désormais bien connu, le boson de Brout-Englert-Higgs.

Le début des années 1970 voit également la montée en puissance de la théorie des quarks grâce aux expériences de diffusion des faisceaux d'électrons sur les nucléons, ce qui revenait un peu à observer la structure des protons et des neutrons avec un supermicroscope électronique. C'est à ce moment-là aussi que l'on découvre les équations de la chromodynamique quantique (QCD), la théorie des forces nucléaires fortes entre les quarks. Les théoriciens des particules constatent alors que les théories des forces nucléaires et électromagnétiques sont construites avec les mêmes ingrédients : la théorie quantique des champs relativistes, des groupes de symétries que l'on appelle des groupes de Lie, et enfin des équations de Yang-Mills.

Howard Georgi à l'occasion d'une fête en l'honneur de Sydney Coleman. © The President and Fellows of Harvard College

Des monopôles magnétiques et des protons instables

Dans ce cadre, plusieurs indices laissaient fortement penser qu'il devrait exister un seul ensemble d'équations avec une symétrie fondamentale décrivant une seule force qui devait régner au tout début de l'existence de l'univers, avant qu'elle ne se différencie en apparence pour nous qui vivons dans un monde à plus basses énergies et températures, en les trois forces que nous décrivons par la QCD et le modèle électrofaible. À plus hautes énergies, cette force ne devait plus faire qu'une avec la gravitation. Mais, à cette époque, on était encore bien plus loin qu'aujourd'hui de disposer d'une théorie quantique satisfaisante de la gravitation.

C'est pourquoi Howard Georgi et Sheldon Glashow ont proposé en 1974, ce qui sera appelé en 1978 par John Ellis une théorie de Grande Unification (ou GUT pour Grand Unified Theory en anglais). La première du genre. Elle apparaissait très prometteuse, car elle permettait de comprendre l'origine de la quantification de la charge électrique ainsi que la curieuse asymétrie entre matière et antimatière qui constitue une véritable énigme en cosmologie. La théorie de Georgi-Glashow prédisait l'existence de monopôles magnétiques et contenait un modèle d'inflation pour la cosmologie. Mais surtout, elle exigeait que le proton ne soit pas stable et puisse se désintégrer, bien qu'au bout d'une très longue durée en moyenne (au minimum des milliards de milliards de milliards d'années). Cette dernière prédiction semblait à portée de main (les monopôles magnétiques d'une GUT étant très massifs, le poids d'un virus, on ne pouvait espérer les produire avec des accélérateurs sur Terre) et plusieurs laboratoires se sont lancés à la poursuite de cette désintégration en considérant un grand volume de matière, bardé de détecteurs et enterré sous des kilomètres de roches afin de les isoler du bruit de fond des rayons cosmiques.

La plus simple des théories de GUT, celle de Georgi-Glashow, postule l’existence de nouveaux cousins du photon, des bosons X et Y. Massifs, ils ne se manifestent qu’à des courtes distances et des hautes énergies et ils permettent à des quarks de se transformer en leptons et donc aux protons de se désintégrer comme le montre le diagramme de Feynman ci-dessus. Deux quarks u fusionnent en donnant un boson X qui se désintègre en positron et un antiquark d. L’antiquark se lie avec le quark d restant du proton pour donner un méson pi neutre. D’autres réactions de désintégration du proton existent dans le cadre des théories prolongeant le modèle standard. © DP, Wikipédia

De la désintégration du proton aux oscillations des neutrinos

L'une de ces expériences s'est déroulée au Japon près de la ville de Kamioka et c'est pourquoi on l'a appelée Kamiokande pour Kamioka Nucleon Decay Experiment. Un proton dans la théorie de Georgi-Glashow et dans des variantes des GUT a très peu de chances de se désintégrer. Mais si l'on considère un très grand nombre de protons, et donc un grand volume de matière, on peut espérer surprendre quelques désintégrations bien spécifiques en quelques années d'expérience. Avec Kamiokande, on utilisait des tonnes et des tonnes d'eau dans lesquelles une désintégration d'un proton pouvait laisser des traces sous forme d'un rayonnement Cerenkov.

Malheureusement, pendant les années 1980, ni Kamiokande ni d'autres expériences similaires n'ont pu détecter de traces de la désintégration du proton. De sorte que la théorie de Georgi-Glashow, qui prédisait qu'un proton devait se désintégrer en un positron et un méson π avec une durée de vie d'environ 1031 années (ce qui signifie à peu près 1 désintégration par année dans un échantillon de 1031 protons soit quelques centaines de tonnes de fer par exemple), a été réfutée.

Une vue de la partie supérieure de la cuve de Super Kamiokande en juin 2006. Elle contient 50.000 tonnes d'eau avec tout autour des détecteurs épiant la lumière Cerenkov que peuvent provoquer certains événements dans le monde subatomique, comme des protons qui se désintègrent. © Kamioka Observatory, Institute for Cosmic Ray Research

Heureusement, Kamiokande et la version plus performante Super Kamiokande, pouvaient aussi servir à faire des observations sur les neutrinos. De fait, ces deux expériences ont permis pour la première fois de détecter ceux issus d'une supernova, en l'occurrence SN 1987 A, et surtout de confirmer l'existence du mécanisme d'oscillation des neutrinos, résolvant du même coup l'énigme des neutrinos solaires.

D'autres GUT, surtout en introduisant des considérations de supersymétrie, une généralisation très séduisante des symétries de l'espace-temps, autorisent une durée un peu plus longue pour la désintégration du proton. Il pourrait se convertir en un neutrino et un méson K, au bout d'environ 1034 ans en moyenne. Super Kamiokande, avec ses 50.000 tonnes d'eau, pouvait commencer à tester certaines GUT supersymétriques. Les physiciens s'occupant de cette expérience viennent de faire savoir que les observations faites depuis 17 ans ne montrent aucun signe de désintégration de protons. Cela implique pour cette particule une durée de vie d'au moins 5,9 × 1033 ans. Il va être intéressant de connaître dans peu de temps les résultats des analyses des observations de la polarisation du rayonnement fossile par Planck et Bicep2, car ils pourraient être bavards sur le type de GUT supersymétrique qui décrit peut-être la nature.