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Les théories de grande unification : SU(5) et la supersymétrie

Dossier - Le boson de Higgs : une clé fondamentale de l'univers ?
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Le boson de Higgs est une particule prédite par le fameux modèle standard de la physique des particules élémentaires. Elle constitue en quelque sorte le chaînon manquant et la pierre d'achoppement de ce modèle.

  
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Naturellement les succès de ce qu'on va maintenant appeler le modèle standard vont rapidement convaincre les théoriciens d'aller plus loin, et ce dès le milieu des années 1970, après la découverte des courants neutres et du quark charmé.

La première idée est bien sûr d'avoir une théorie complètement unifiée des interactions électromagnétiques et nucléaires.

On peut y arriver, en principe du moins, en étendant le groupe de symétrie des équations de champs (cf. d5). La première tentative fut celle de Howard Georgi, elle fut malheureusement trop belle pour être vraie. Il proposa le groupe SU(5) comme groupe fondamental, celui-ci donnant effectivement par brisure de symétrie les groupes SU(3)*SU(2)*U(1).

C'était particulièrement séduisant, notamment parce que l'augmentation du nombre d'états possibles pour les particules de type Higgs, nécessaire dans cette théorie, permettait non seulement de donner des masses aux bosons intermédiaires responsables des interactions, mais aussi maintenant à toutes les particules de matière comme les leptons et les quarks à partir d'un seul et unique groupe.

En bonus la possibilité d'expliquer l'asymétrie matière/antimatière de l'univers était contenue dans celle-ci. Malheureusement cela impliquait un taux de désintégration du proton que l'expérience n'a pas validé.

Howard Georgi. © physicsworld

Simultanément des tentatives pour incorporer la gravitation furent faites. La plus importante de toute est l'idée de supersymétrie (cf. d5). En étendant les symétries de l'espace-temps, il devenait possible de considérer les bosons et les fermions, et donc dans un certain sens les particules de matière et les bosons vecteurs des interactions, comme deux états d'une même super particule.

On introduit alors une sorte de super isospin comme pour la théorie des forces nucléaires. Plus remarquable, si l'on introduit donc bien un groupe de supersymétrie et qu'on le « jauge » la gravitation apparaît automatiquement, cette supersymétrie locale prend d'ailleurs le nom de supergravité. Le modèle le plus simple de supersymétrie consiste à associer à chaque particule du modèle standard son partenaire supersymétrique.

Cela conduit, au minimum, à doubler le nombre de doublets (complexes) de Higgs et implique des relations entre les différentes masses des particules.

Les particules et leurs partenaires supersymétriques. © University of Glasgow

Il reste toutefois des difficultés : si la supersymétrie était exacte les partenaires supersymétriques de ces particules du modèle standard devraient avoir la même masse. Ainsi le sélectron, le boson associé à l'électron, devrait avoir une masse identique et être produit facilement en accélérateur. Ce n'est pas le cas, ce qui indique une brisure de la supersymétrie et des masses élevées pour ces particules.

Le problème de l'origine des masses des particules, malgré de grands progrès, reste donc entier.