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Le Modèle Standard

Dossier - Voyage au coeur de la matière
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Vous restez imperméable à la physique ? Découvrez dans ce dossier les éléments qui composent la matière, expliqués simplement : forces, atomes et nucléons, radioactivité...

  
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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 repose sur la mécanique quantique et la théorie de la relativité d'Einstein. © Thomas Thomas, Flickr CC by nc 2.0

Qu'est-ce que le modèle standard ?

Le modèle standard est une théorie de champs quantique, 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 inclue 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 prédit aussi l'existence du boson de Higgs, particule qui permet de donner une masse aux autres particules de la théorie. Cette particule n'a pas encore été découverte.

Quelles sont les particules élémentaires ?

Les particules élémentaires du modèle standard sont au nombre de 24 :

12 bosons de spin 1 qui sont les particules de « rayonnement » et qui sont les vecteurs des différentes interactions : 

  • 8 gluons qui transmettent l'interaction forte ;
  • les W+ et W- qui transmettent l'interaction faible ;
  • le Z0 qui transmet une forme de l'interaction faible provenant de l'interaction électrofaible ;
  • le photon qui transmet l'interaction électromagnétique.

12 fermions de spin ½ qui sont les particules de « matière », séparées en deux catégories : 

  • 6 quarks et leurs antiquarks, qui forment des particules composites : les hadrons ;
  • 6 leptons et leurs antileptons.

Les particules élémentaires du modèle standard. © Crédits réservés

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 de Higgs 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.

QED ou comment agissent les photons

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.

Exemple 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. © DR

Le neutrino n'ayant pas de charge électrique, c'est le seul fermion élémentaire qui n'est pas sensible à l'interaction électromagnétique.

QCD ou comment agissent les gluons ?

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 anticouleur).

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.

Exemple 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. © DR

La masse des gluons est nulle, mais comme ils portent une charge de couleur et donc peuvent interagir entre eux, la portée de l'interaction forte n'est pas infinie, elle est de l'ordre de 10-15 m, elle est donc très courte ! Le comportement de l'interaction forte est ainsi assez étrange : plus les quarks sont éloignés, plus leur interaction est forte... À la limite où ils sont infiniment proches, ils n'interagissent plus du tout, c'est ce qu'on appelle la liberté asymptotique. Cette caractéristique est à l'origine du confinement des quarks à l'intérieur des hadrons : les quarks ne peuvent pas être libres.

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 :

  • des baryons, qui contiennent trois quarks. Un rouge, un vert et un bleu, le total est donc le blanc (et aussi les antibaryons) ;
  • des mésons qui contiennent un quark d'une couleur (rouge, vert ou bleu) et un antiquark de l'anticouleur correspondante, le total étant aussi l'absence de couleur.

Comment agissent les W+, W- et Z0 ?

Dans la théorie électrofaible, l'interaction faible présente deux aspects :
- l'interaction faible par courants chargés où les vecteurs de l'interaction sont les W+ et W-,
- l'interaction faible par courant neutre où le vecteur de l'interaction est le Z0.
Ces deux formes de l'interaction faible agissent entre tous les fermions élémentaires, en particulier c'est la seule interaction à laquelle est sensible le neutrino.

La masse des W et du Z0 est très élevée (80 GeV pour les W et 91 GeV 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 10-18 m !

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 radioactivité beta 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 antineutrino électronique.

Exemple 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 antineutrino électronique (en blanc). Le temps va de la gauche vers la droite. © DR

Le Z0 n'a pas de charge électrique, il n'y a donc pas de changement de saveur lors d'une interaction faible par courant neutre. En fait, l'interaction faible par courant neutre est assez similaire à l'échange d'un photon. En règle générale, si deux fermions peuvent échanger un photon, ils peuvent aussi échanger un Z0. Par contre, un neutrino peut échanger un Z0 avec une autre particule mais pas un photon.

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...