De quoi est fait l'Univers ?

Posted by alpheccar - Jun 04 2005 at 09:35 CEST

On a tous appris que la matière est constituée de molécules qui sont elles-mêmes des assemblages d’atomes. Un atome étant un nuage d’électrons, chargés négativement, autour d’un noyau chargé positivement (il s’agit de charge électrique). Le noyau est lui-même fait de protons et neutrons aussi appelés nucléons. Les protons sont chargés positivement.

Mais les choses sont bien plus complexes et passionnantes que cela...

Matière

Electrons, positrons ...

Les électrons sont des particules élémentaires contrairement aux protons et neutrons. Une particule est dite élémentaire quand toutes nos tentatives pour en sonder la structure interne ont donné un résultat nul. Ce qui ne veut pas dire qu’avec des moyens technologiques plus avancés le résultat serait forcément le même. Ainsi, lorsqu’on dit que l’électron est une particule élémentaire c’est dans l’état actuel de nos connaissances.

Cet électron, comme toute particule élémentaire de matière est un fermion. Les fermions sont les particules de spin demi-entier (le spin étant une caractéristique de la particule au même titre que la masse, la charge électrique ...). Des fermions ne peuvent pas se trouver dans le même état quantique. Ce sont des particules individualistes : chaque état quantique ne peut contenir qu’au plus 1 fermion dans cet état. Ce principe fondamental (dit de Pauli) permet d’expliquer l’existence des corps solides tels que nous les connaissons ainsi que leurs propriétés.

Pour chaque particule élémentaire de matière, il existe une antiparticule qui a exactement les mêmes caractéristiques sauf la charge électrique qui est opposée. Ainsi, il existe des anti-électrons (aussi appelés positrons) et qui sont, notamment, générés lors de la désintégration d’éléments radioactifs (radioactivité bêta).

Lorsqu’une particule de matière rencontre son double d’antimatière, elles s’annihilent et se transforment en énergie pure : des rayons gamma de haute énergie. La conversion obéit à la fameuse formule E=mc^2

Lors de la désintégration radioactive, d’autres particules sont générées : les neutrinos électroniques. Les neutrinos semblent avoir une masse mais extrêmement faible.

Ces électrons et neutrinos électroniques sont des particules très légères et elles appartiennent à la famille des leptons (du mot Grec signifiant léger). Cette famille contient d’autres particules qui ont comme point commun de ne pas être sensibles à la force d’interaction forte dont on reparlera plus loin.

Ainsi, on trouve aussi dans cette famille le muon et le neutrino muonique. Le muon est comme un électron mais plus lourd.

On trouve enfin, le tau et le neutrino tauique qui sont comme le muon mais plus lourd.

On a donc 3 familles de leptons caractérisés par leurs masses. En général, les éléments les plus lourds ont tendance à se désintégrer en les éléments plus légers.

Quarks

Neutrons et protons sont des particules lourdes (relativement aux électrons). Ils appartiennent à la famille des hadrons. Cette famille contient de très, très nombreuses particules car elles ne sont pas élémentaires mais constituées de Quarks.

Il y a plusieurs types de Quarks : up, down (première famille) associés aux électrons et qui permettent de constituer la matière normale.

charm and strange associés à la famille des muons

top and bottom associés à la famille des taus.

Ces Quarks ont une charge électrique et une autre charge que l’on appelle couleur. Mais c’est simplement une analogie. Les Quarks n’ont pas de couleur puisque la couleur résulte de la perception par le cortex visuel de la longueur d’onde des photons (particule dont on parlera plus loin). Si on parle de couleur pour les Quarks c’est que leur charge de couleur, contrairement à la charge électrique, n’est pas un scalaire mais un vecteur et ce vecteur obéit à une propriété particulière qui permet l’analogie suivante : si l’on note R,G,B (red, green,blue) les trois composantes de leur charge alors on peut dire tout assemblage de Quarks doit être blanc.

Ainsi, la charge de couleur d’un proton est blanche.

Toutes ces particules interagissent. Par exemple, les protons ont tendance à se repousser électriquement puisqu’ils ont la même charge électrique. Il doit donc exister des forces qui assurent la cohésion du noyau en maintenant les protons ensembles.

Forces

L’expérience n’a pu mettre en évidence, jusqu’à présent, que 4 forces fondamentales : la gravité, la force d’interaction faible, la force électromagnétique, la force d’interaction forte.

Je ne parlerai pas de la gravité ici car, malgré les tentatives des plus grand chercheurs depuis un siècle, la gravité n’a toujours pas été quantifiée. La gravité quantique est le saint Graal de la physique contemporaine. Donc, parler de graviton (hypothétique particule médiatrice de l’interaction gravitationnelle) serait abusif. Il est probable que l’intégration de la théorie de la gravité qu’est la relativité générale avec le modèle standard de la physique des particules (modèle totalement quantique) nécessite une révision tellement profonde de nos concepts de temps,espace, matière et énergie que la notion même de particule aura à être abandonnée.

Donc, je vais me concentrer sur les autres forces. Ces forces sont transmises par des particules qui sont des bosons. Un boson est une particule de spin entier. Les bosons sont des particules collectivistes : un même état quantique peut en contenir une infinité. C’est cette propriété qui permet de comprendre les lasers, masers, la supraconductivité et la superfluidité.

L’interaction électromagnétique est transmise par un type de bosons appelé photons. Le photon a une masse nulle et se propage à la vitesse de la lumière. L’interaction électromagnétique est fondamentale à notre échelle : elle régit quasiment tous les phénomènes. Que ce soit toutes les forces mécaniques (forces de frottement, élasticité), les phénomènes chimiques (interaction des molécules via leurs électrons), les phénomènes radio, lumineux etc...

Les explosifs chimiques tirent leur puissance de cette force : une partie de l’énergie électromagnétique est libérée lors de la réaction chimique.

Nous avons vu que les éléments lourds sont instables et se désintègrent en éléments plus légers. La force qui en est responsable est la force d’interaction faible (qui explique notamment la radioactivité). Cette force permet une interaction entre les quarks et les leptons. Elle a la particularité extraordinaire d’encoder la notion de droite/gauche dans sa structure même. En effet, la notion droite/gauche n’est pas relative. Les lois de la physique ne sont pas invariantes par réflexion dans un miroir.

Les médiateurs de cette force sont les bosons W+, W- et Z0. W+ est chargés positivement (charge électrique). Ces bosons ont une masse et par conséquent, et contrairement au photon, ils ne se déplacent pas à la vitesse de la lumière et la portée de la force faible est courte. Contrairement aux photons qui permettent de faire des communications radio sur de longues distance, cela n’est pas possible avec la force faible qui ne se propage pas très loin.

Ces bosons faibles ont une autre caractéristique intéressante : ils sont chargés (pour la charge d’interaction faible). C’est comme si le photon était chargé électriquement. La conséquence est que l’interaction est non-linéaire car le boson interagit avec lui-même.

Le noyau de l’atome est composé de protons chargés positivement. Il devrait donc exploser sous l’effet de la répulsion électrostatique. Il doit donc y avoir une autre force qui assure sa cohésion : la force d’interaction forte qui, comme son nom l’indique, est forte. C’est cette force qui explique la puissance des explosions nucléaires au cours desquelles il y a une variation de masse qui n’est pas négligeable et est mesurable. Un noyau atomique a une masse différente de la somme des masses de ses constituants. Notons quand même qu’une toute petite partie de la masse est convertie en énergie dans les réactions nucléaires. Si toute la masse l’était (comme avec les annihilations matière/antimatière) l’énergie dégagée serait colossale ! Bien plus grande que dans les réactions nucléaires standards.

Cette force forte est transmise par des bosons appelés gluons. Il y en a de trois types (rouge, vert et bleu). Ces gluons sont aussi chargés : ils ont une couleur et donc l’interaction est non-linéaire. Ils ont une masse et la portée de l’interaction forte est faible : elle ne sort pas du noyau atomique.

Elle a une autre caractéristique intéressante : la liberté asymptotique. Plus les quarks ont de hautes énergies et plus cette force est faible. Dit autrement : aux courtes distances cette force disparaît. La conséquence est qu’aux énergies traditionnelles, il est impossible de séparer les quarks et qu’un assemblage de Quarks doit être “blanc”.

Nous avons maintenant une vue assez complète de la zoologie de la physique des particules mais il manque encore deux points importants.

La masse n’est qu’une forme d’énergie. Si les particules élémentaires ont une masse alors elle doivent interagir avec quelque chose. La masse provient de cette interaction. Ce quelque chose c’est le boson de Higgs qui, en interagissant avec toutes les particules, est à l’origine de leur masse. Le boson de Higgs est la seule particule non encore détectée dans la modèle standard.

Tout ce que je viens de dire ne concerne que 4% de l’Univers ! On s’est aperçu récemment que 26% de la matière de l’Univers est constitué de quelque chose d’inconnu appelé matière noire. En effet, la matière visible traditionnelle (étoiles lumineuses etc...) constitue 2%. On obtient 2% de plus en estimant la matière traditionnelle non visible (nuages de gaz, étoile éteintes ...).

Mais, c’est encore pire que cela car les 70% restants sont inconnus et constitués de ce que l’on nomme l’énergie sombre : aucun des bosons rencontrés jusqu’ici. Cette énergie sombre se comporte comme une force d’antigravitation qui provoque une accélération de l’expansion de l’Univers.

Si l’on rajoute à cela le fait que le modèle standard, en dépit de ses succès extraordinaires et ses prédictions incroyablement précises, a de très nombreux autres problèmes on peut en conclure qu’il nous reste encore beaucoup à découvrir et à comprendre sur la façon dont fonctionne l’Univers et ça c’est plutôt une bonne nouvelle.

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