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On a vu l'unification des forces éléctromagnétique et nucléaire faible

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Environ 300 chercheurs de 70 institutions ont joint leur forces pendant 8 ans pour analyser les résultats des expériences concernant les entrailles des protons au centre de recherche Desy en Allemagne. Ce travail formidable a encore plus confirmé la pertinence de la QCD pour décrire les propriétés des hadrons. Il a permis aussi de vérifier que les forces électromagnétique et nucléaire faible tendaient à devenir identiques à hautes énergies, comme le prédit le modèle électrofaible.

De 1992 jusqu'à sa fermeture en juin 2007, l'accélérateur HERA (Hadron-Elektron-Ring-Anlage) était le premier et le seul collisionneur électrons-protons dans le monde. D'une circonférence de 6,3 km, il permettait des collisions de protons d'énergie 920 GeV et des électrons (ou des positrons) de 27,5 GeV. © Deutsches Elektronen-Synchrotron

Les fondations théoriques et expérimentales du modèle standard en physique des hautes énergies se sont mises en place au cours des années 1964 à 1974 et une bonne partie de ses prédictions théoriques ont été testées au cours des 20 années qui ont suivi. Cela ne veut pas dire qu'il ne restait plus rien à faire à partir du début des années 1990, bien au contraire. Il n'existait pas encore de preuves du phénomène d'oscillation des neutrinos et le boson de Brout-Englert-Higgs manquait encore à l'appel, par exemple.

La structure du proton restait encore mal connue, même si elle est représentée de façon abusivement simple sous la forme de trois quarks échangeant des cousins du photon, les gluons, médiateurs de la force nucléaire forte. En fait, l'intérieur d'un proton est extrêmement complexe et même s'il ne fait pas de doute que la recette pour obtenir cette particule suppose bien de mettre ensemble trois quarks bien particuliers, le résultat final est une sorte de plat compliqué dont on ne peut plus dire qu'il est exactement composé des ingrédients de base. La raison en est que les équations qui décrivent les champs de force nucléaire forts entre les quarks sont non-linéaires (comme celles de Navier-Stokes) et qu'elles imposent donc un structure compliquée au proton, et bien sûr au neutron.

Pour tenter d'y voir plus clair, déjà dans les années 1960, avant la découverte des équations de la chromodynamique quantique, la QCD, qui décrit ces forces nucléaires fortes, les physiciens avaient bombardé les protons avec des faisceaux d'électrons. Les expériences les plus importantes à ce sujet avaient été menées par Jerome Friedman, Henry Kendall et Richard Taylor de 1967 à 1973. Elles leur valurent le prix Nobel de physique. Avec leurs collègues, ces chercheurs avaient en quelque sorte utilisé les faisceaux d'électrons de l'accélérateur du Slac (Stanford Linear Accelerator Center) pour obtenir une sorte de microscopie électronique. Les électrons de hautes énergies étaient en mesure de pénétrer à l'intérieur des protons et en ressortaient après avoir interagi avec les structures présentes dans le proton.

L'intérieur d'un proton est en fait extrêmement dynamique avec une mer de paires de quark et d'antiquark (boules vertes et oranges) émergeant et disparaissant sans cesse en échangeant des gluons (lignes enroulées noires). © Deutsches Elektronen-Synchrotron

23 ans de travail pour tester QCD et modèle d'unification électrofaible

De 1992 à 2007, d'autres physiciens des hautes énergies ont joué en Allemagne au même jeu, mais en le poussant beaucoup plus loin, en utilisant des faisceaux d'électrons et même de positrons fournis par l'accélérateur Hera (Hadron-Elektron-Ring-Anlage, ce qui signifie collisionneur de hadron et d'électron en allemand). Situé à Hambourg il faisait partie de Desy (Deutsches Elektronen-Synchrotron, synchrotron allemand à électrons), le plus important centre de recherche en Europe en physique des particules après le Cern à Genève. Les données acquises dans les détecteurs des expériences H1 et Zeus ont ensuite été analysées pendant 8 ans. Le résultat final de ces analyses a été publié dans un article disponible sur arxiv.

De lui, le directeur de recherche de Desy, Joachim Mnich, a dit : « Cette publication est l'aboutissement du programme scientifique de Hera et elle restera l'image la plus précise de la structure du proton pendant longtemps. Cet héritage est non seulement important pour la compréhension des propriétés fondamentales de la matière mais aussi parce qu'il constitue une base essentielle pour analyser les expériences avec des collisions de protons comme celle menées au LHC ».

Les expériences ont spectaculairement vérifié les prédictions de la QCD mais l'un des résultats les plus intéressants concerne le modèle unifié des forces électromagnétique et nucléaire faible. En fait, il ne s'agit pas vraiment d'une théorie unifiée car ce modèle contient deux équivalents de la charge électrique associées à deux groupes de symétries décrivant deux champs fondamentaux différents. Mais ces champs se mélangent d'une certain façon pour donner le champ électromagnétique et les forces nucléaires faibles.

D'ordinaire, la force électromagnétique est plus forte que la force nucléaire faible mais dans des expériences à hautes énergie, la théorie quantique des champs et le modèle électrofaible prédisent que ces forces finissent par avoir des intensités identiques. Les bosons W et Z des forces nucléaires faibles que les électrons peuvent échanger avec les quarks se comportent alors de façon analogue aux photons et les forces en présence deviennent aussi intenses.

C'est bien ce que les physiciens ont constaté en analysant les données des expériences réalisées avec Hera, H1 et Zeus, validant une fois de plus la théorie proposée en 1967 par Steven Weinberg et Abdus Salam, complétant celle proposée quelques années plus tôt par Sheldon Glashow.

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