Modèle standard de la physique des particules
Le modèle standard est la théorie qui décrit de quoi la matière est faite et quelles forces agissent entre ses constituants. C'est la théorie la plus précise que la physique ait produite — et le neutrino est le seul endroit où elle est démontrablement incomplète en laboratoire.
L'inventaire
Douze particules de matière, ordonnées en trois familles. Six quarks, dont sont faits les protons et les neutrons, et six leptons — électron, muon, tau et les trois neutrinos correspondants. À chacune correspond une antiparticule.
Quatre particules de force. Le photon transmet l'électromagnétisme, les bosons W et Z l'interaction faible, les gluons l'interaction forte, qui maintient les noyaux atomiques assemblés.
Un boson de Higgs, dont le champ confère leur masse aux autres particules. Il a été mis en évidence en 2012 au CERN — presque cinquante ans après sa prédiction.
La gravitation manque. Elle n'est pas contenue dans le modèle standard, et personne ne sait jusqu'ici comment elle pourrait s'y insérer.
Pourquoi il est si performant
Le bilan est exceptionnel. Le modèle standard a prédit l'existence des bosons W et Z, du quark charm, du quark top et du boson de Higgs avant qu'ils ne soient trouvés — parfois des décennies auparavant.
Certaines de ses prédictions concordent avec la mesure à douze décimales près. C'est une précision comparable à celle avec laquelle on déterminerait la distance Berlin–Tokyo à l'épaisseur d'un cheveu près.
Aucune expérience d'accélérateur n'a jamais trouvé de contradiction nette.
Où il s'arrête
Et pourtant, le modèle standard est manifestement incomplet. Les lacunes sont bien nommées :
La gravitation n'y figure pas.
La matière noire et l'énergie noire représentent ensemble environ 95 pour cent du contenu énergétique de l'univers. Le modèle standard décrit les cinq restants.
La prépondérance de la matière. Lors du Big Bang, matière et antimatière auraient dû naître en quantités égales. Pourquoi quelque chose est resté, le modèle ne l'explique pas — l'asymétrie connue dans le secteur des quarks est trop petite de plusieurs ordres de grandeur.
Le nombre trois. Pourquoi il existe exactement trois familles de particules et non deux ou cinq est inconnu. La mesure sur le boson Z dit qu'il y en a trois. Elle ne dit pas pourquoi.
La fissure en un seul point
Dans sa version originelle, le modèle standard contient des neutrinos sans masse. Ce n'était pas une négligence, mais une conséquence naturelle de sa construction : pour une masse, il faudrait des neutrinos droits, et ceux-ci n'y figurent pas.
En 1998, Takaaki Kajita montra que les neutrinos oscillent ; en 2002, Arthur B. McDonald montra en quoi ils se transforment. Seul ce qui a une masse peut osciller.
Un résultat de laboratoire s'oppose ainsi à la théorie — le seul qui ait tenu jusqu'ici. Tous les autres écarts signalés au fil des ans se sont révélés être des fluctuations statistiques ou des erreurs de mesure.
Le modèle standard peut être étendu pour inclure des masses de neutrinos ; la question est comment. Le mécanisme de bascule serait une réponse, et il ouvrirait en même temps une voie vers l'explication de la prépondérance de la matière.
Pourquoi cela rend la physique des neutrinos si intéressante
Qui veut aller au-delà du modèle standard cherche là où il a déjà cédé une fois. C'est pourquoi des milliards affluent dans le monde entier vers des détecteurs de neutrinos toujours plus grands — de JUNO à DUNE en passant par Hyper-Kamiokande.
Le neutrino est la particule la plus légère, la plus fréquente et la plus singulière du modèle. Et c'est la seule qui ait déjà révélé quelque chose que la théorie ignorait.
Termes apparentés
- Lepton — les familles de particules
- Bosons W et Z — les particules de force
- Masse du neutrino — le point ouvert
- Mécanisme de bascule — un développement possible
Sources
- Particle Data Group : Review of Particle Physics, section Standard Model.
- Collaborations ATLAS et CMS : mise en évidence du boson de Higgs, Physics Letters B 716 (2012).