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Tiré de The Large Hadron Collider : The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind , un récit de l’intérieur de l’histoire opérationnelle du LHC et de la recherche du boson de Higgs, par Don Lincoln. Publié par Johns Hopkins University Press. Réimprimé avec l’autorisation de l’éditeur.
Le mathématicien de l’ère victorienne Augustus de Morgan a écrit :
Les grandes puces ont sur leur dos de petites puces pour mordre
Et les petites puces ont de moins grandes puces, et ainsi de suite à l’infini.
Et les grandes puces elles-mêmes, à leur tour, ont de plus grandes puces pour continuer,
Alors que celles-ci ont encore de plus grandes, et de plus grandes encore, et ainsi de suite.
Ce passage souvent cité est une parodie de l’ouvrage de Jonathan Swift de 1733, On Poetry : A Rhapsody , qui a été écrit sur la poésie. Cependant, les scientifiques ont pris ces lignes comme une métaphore du monde naturel. Lorsque l’on apprend à connaître le micromonde, on est rapidement confronté à l’observation que toute matière est constituée de molécules. Les molécules sont à leur tour constituées d’atomes qui sont eux-mêmes constitués d’électrons et de noyaux atomiques. Les noyaux sont constitués de protons et de neutrons et ceux-ci sont composés de quarks.
Cependant, pour autant que l’on sache, les quarks et les électrons, c’est tout. C’est la fin de la ligne en ce qui concerne la structure. Contrairement à l’atome ou au proton, qui ont une structure riche avec des interactions complexes entre leurs composants, on pense actuellement que les quarks et les électrons n’ont pas de structure interne du tout. Tant sur le plan théorique que physique, ils sont considérés comme des points mathématiques.
Bien sûr, toute personne ayant une once d’imagination ne peut s’empêcher de dire : « Maintenant, attendez une minute. Pourquoi les quarks et les leptons ne pourraient-ils pas eux-mêmes avoir une structure interne ? » Eh bien, il n’y a qu’une seule réponse possible et c’est « ils pourraient ». Les quarks et les électrons (et, par extension, tous les leptons) pourraient être constitués d’objets encore plus petits. Ou bien ils pourraient (de façon plutôt improbable) être effectivement fondamentaux (c’est-à-dire ne pas avoir de parties plus petites, autrement dit, sans structure).
Avant d’aller plus loin, considérons les tailles concernées. Tout dans le micromonde est petit. Une seule molécule est si petite que vous pourriez en placer un million côte à côte dans un seul millimètre. Elles sont si petites que la lumière ordinaire ne permet pas de les voir. Et pourtant, des objets aussi petits sont énormément grands : un milliard de fois plus grands que la frontière de la recherche.
Les molécules sont composées d’atomes, dont la taille est environ un dixième de celle des molécules. L’image mentale d’un atome comme un petit système solaire, avec le soleil comme noyau et les électrons planétaires, est imparfaite et pourtant elle n’est pas sans mérite. Elle met en évidence le fait qu’un atome se compose essentiellement d’espace vide, les électrons tourbillonnant frénétiquement loin d’un noyau petit et dense. Le rayon du noyau est environ 10 000 fois plus petit que l’atome et n’occupe qu’un trillionième du volume.
Le noyau de l’atome est constitué de protons et de neutrons, serrés les uns contre les autres. Mon image mentale du noyau est une masse d’œufs de grenouille ou de billes après avoir été manipulée par un bambin aux doigts très collants. Chaque proton ou neutron fait environ 10 à 15 mètres de large, et il en faudrait un billion mis bout à bout pour couvrir un seul millimètre. C’est petit.
Les protons et les neutrons contiennent en leur sein des quarks et des gluons. La façon la plus simple de penser à un proton est qu’il y a deux quarks up et un quark down coincés dans un champ de force de gluons. Pensez à trois boules de plastique numérotées dans une de ces machines de loterie soufflées par l’air et vous aurez l’idée de base.
Mais l’image mentale des quarks comme des boules en plastique a un défaut majeur. Les boules ne sont pas beaucoup plus petites qu’une machine de loterie. Les quarks sont petits. Peut-être qu’une meilleure image mentale du proton est trois petites taches de polystyrène dans la même machine.
Alors que savons-nous de la taille des quarks ? Plus tôt, j’ai dit qu’ils n’ont pas de taille, et c’est certainement la façon dont la théorie actuelle les traite. Cependant, en tant qu’expérimentateur, je suis plus concerné par les mesures. Vous, le lecteur, devez être curieux de savoir quelles mesures ont révélé la taille d’un quark. Et maintenant la réponse… un roulement de tambour s’il vous plaît… elles ne l’ont pas fait. Cela ne signifie pas que nous ne savons rien de leur taille. Nous avons étudié cette question de manière assez approfondie et nous savons précisément quelle est la qualité de notre équipement. Si les quarks (et les électrons) étaient plus grands qu’environ dix mille fois plus petits qu’un proton, nous aurions vu qu’ils ont une taille. Dans toutes nos expériences, nous n’avons jamais vu le moindre indice crédible d’une taille. Nous concluons donc que, bien que nous ne puissions pas dire quelle est réellement la taille d’un quark ou d’un électron, nous pouvons dire sans risque que si les quarks ont une taille, ils sont plus petits qu’un dix millième de la taille d’un proton.
Si cette idée est difficile à comprendre, considérons la taille d’un objet que vous pouvez voir avec vos yeux. Vous pouvez facilement voir un grain de sable. Avec un effort très considérable, vous pourriez être en mesure de voir le plus petit morceau de farine dans votre armoire. Mais c’est à peu près tout. À l’œil nu, vous ne pouvez rien voir de plus petit. Ainsi, lorsque vous décidez de regarder un germe avec votre œil, vous pourriez conclure qu’il n’a pas de taille, mais la conclusion strictement correcte que vous devriez tirer est que les germes sont plus petits qu’une minuscule moucheture de farine.
Avec un meilleur équipement, disons un microscope puissant, on peut voir que les germes ont effectivement une taille mesurable. Donc, une fois que vous avez atteint la limite de votre équipement, vous devez simplement vous procurer un microscope plus puissant. Le microscope qu’est le LHC et ses deux détecteurs primaires observeront la taille des quarks s’ils n’ont pas moins de 20 ou 30 millièmes de la taille d’un proton… ou bien ils fixeront une limite qui sera environ deux ou trois fois plus petite que ce que l’on pense actuellement.
Alors que les observations, l’intuition et la chansonnette de de Morgan peuvent suffire à soutenir un soupçon occasionnel que d’autres niveaux de matière peuvent se produire à des tailles toujours plus petites – une toute nouvelle couche ou un nouvel ensemble de couches dans l’oignon cosmique – il existe également des raisons plus scientifiques. Prenons par exemple le tableau périodique. Bien que Mendeleïev l’ait conçu comme un schéma organisationnel, avec la formulation de la théorie de l’atome nucléaire et de la mécanique quantique dans les premières décennies du XXe siècle, il est devenu clair que le tableau périodique était en fait la première indication de la structure atomique, un demi-siècle avant que nous comprenions vraiment le message du tableau.
Alors que l’histoire racontée par le tableau périodique laissait clairement entrevoir la structure atomique, l’histoire du rayonnement nucléaire suggère également la structure du noyau. Par exemple, le césium ( 137 55 Cs, avec cinquante-cinq protons et quatre-vingt-deux neutrons) émet un électron et devient du baryum ( 137 56 Ba, avec cinquante-six protons et quatre-vingt-un neutrons).
Prenons ces exemples historiques et appliquons le raisonnement au monde moderne. Nous sommes conscients que les leçons historiques ne s’appliquent pas toujours. Mais parfois, elles le sont.
Notre « tableau périodique » des particules est représenté sur l’image ci-dessus. Son organisation est différente de celle du tableau périodique chimique. Dans la figure, il y a six types de quarks. Les quarks up, charm et top ont tous une charge de +⅔ (dans un système où la charge d’un proton est de +1) et la masse du quark charm dépasse celle du quark up, qui est à son tour dépassée par le quark top. De même, les quarks down, strange et bottom ont tous une charge électrique -⅓, la masse augmentant au fur et à mesure que l’on va vers la droite.
Dans le tableau périodique moderne, les unités « chimiquement similaires » sont les lignes, contrairement aux colonnes du tableau de Mendeleïev. Nous voyons qu’il y a trois « générations » ou copies carbone du même modèle de quark et de lepton. Cela rappelle fortement les indices que nous donnait le tableau périodique chimique dans la seconde moitié du XIXe siècle.
Il y a une autre similarité historique à considérer. Tout comme les différents noyaux atomiques pouvaient se désintégrer en d’autres noyaux, les quarks et les leptons le peuvent aussi. Un quark supérieur peut se désintégrer en un quark inférieur et un boson W. De même, le muon peut se désintégrer en un électron et deux neutrinos. D’autres types de désintégration de quark et de lepton sont également possibles. En fait, toutes les particules des deuxième et troisième générations finissent par se désintégrer en particules de la première génération. Un indice crucial est que la seule force qui peut transformer un quark ou un lepton en un autre (nous disons « changer la « saveur » du quark ou du lepton ») est la force faible. De plus, spécifiquement, seul le boson W, chargé électriquement, peut faire le travail.
Il n’y a pas de preuves tangibles que la présence de générations de quark et de lepton indique que les quarks et les leptons sont eux-mêmes composés de particules plus petites (non découvertes à ce jour). Cependant, l’analogie historique est puissamment suggestive et mérite certainement qu’on s’y attarde. Le fait que, en émettant un boson W, on puisse changer la saveur du quark ou du lepton est un indice extrêmement précieux qui crie quelque chose d’important aux physiciens.
J’aimerais juste avoir l’intelligence de comprendre ce qu’il dit.
Cependant, même sans l’intuition cruciale qui fend l’énigme en deux, nous pouvons spéculer intelligemment sur le sujet et (ce qui est bien plus important) passer au crible nos monceaux de données, à la recherche d’indices supplémentaires. Comme dans toutes les recherches de nouveaux phénomènes physiques, il faut faire une supposition éclairée sur ce qu’il faut chercher, puis le chercher. Alors, quelles sont les signatures expérimentales probables de la structure du quark ?
Historiquement, l’un des meilleurs endroits pour chercher a été les collisions les plus violentes. Vous fracassez deux objets ensemble et vous voyez combien de collisions il y a à chaque niveau de violence. Plus précisément, vous regardez la quantité de « violence latérale ». Techniquement, on parle de momentum transversal, c’est-à-dire perpendiculaire au faisceau. Il y a des raisons techniques à ce choix, mais c’est surtout parce qu’il faut frapper fort quelque chose pour qu’il aille latéralement par rapport à sa direction initiale.
Aujourd’hui, la plupart des physiciens adoptent une attitude d’attente, préférant voir quels indices l’univers nous donnera. Malgré cela, des noms ont été proposés pour ces objets plus petits que les quarks, le plus populaire étant « preon » (pour pre-quark). Cependant, chaque physicien théoricien qui a élaboré une théorie a inventé son propre nom : subquarks, maons, alphons, quinks, rishons, tweedles, helons, haplons et particules Y ont tous été proposés. J’aime assez les noms quinks ou tweedles moi-même.
Quelle sera la prochaine grande découverte ? Je n’en ai aucune idée. Il se pourrait bien que ce soit l’un des sujets mentionnés ici. Ou, ce qui est encore plus excitant, ce pourrait être quelque chose de tout à fait inattendu ; quelque chose qui nous frappe tout simplement à l’improviste. Comme on dit, le temps nous le dira.