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    La nature de l'Univers - Un boson, un fermion et … un raton laveur  
    René Cuillierier - Ciel & Univers n.360 - 2000-05-01      
    L'homme s'est donné un mal de chien à faire sauter,
un par un,
tous les verrous qui protégeaient l'intimité de la matière.

Lorsqu'enfin la reine fut nue, il découvrit la terrible vérité : 
un petit tas de particules jouant à la baballe…
 
   

Pour René Descartes (1596-1650), le vide n'existe pas. L'espace est rempli d'un fluide de particules agité de tourbillons, à l'origine des mouvements des corps célestes.

 
    De quoi est fait l'Univers ? Depuis deux mille ans, le débat autour de la nature du monde ressemble à une foire d'empoigne. Inquisiteurs enragés et hérétiques exaltés se sont allègrement étripés en son nom et, bien que la fée expérience ait cru pouvoir trancher la question, la bagarre ne s'est pas vraiment arrêtée.  
    Elle a commencé dans la Grèce antique, entre Héradite, Aristote et la plupart des philosophes de l'époque, et une minorité de doux dingues, Démocrite, Épicure et, plus tard, le Romain Lucrèce. Les premiers assignaient à l'Univers quatre éléments fondamentaux : la terre, le feu, l'eau et l'air. Les propriétés sensibles de la matière (dureté, chaleur, fluidité ou légèreté) ne "s'expliquaient" que parce qu'elles étaient déjà présentes dans ses éléments constitutifs (en gros, les choses sont ce qu'elles sont, parce qu'elles sont ce qu'elles sont…). Les seconds affirmaient que le monde est constitué d'atomes. Petits monstres invisibles, indestructibles et animés d'un mouvement incessant, qui les a amenés à former diverses configurations. Stériles pour la plupart, mais dont certaines ont fini par produire le grand cycle de la vie. Lucrèce, dernier des atomistes antiques, se suicidera, victime peut-être de la mauvaise réputation de sa doctrine.  
    Descartes reprendra le flambeau à la Renaissance. Pour lui, la nature est constituée d'entités élémentaires Q qui ne contiennent pas à l'avance :~& les propriétés des choses sensibles. É Le monde est le fruit d'une mécanique : tout s'explique par les multiples combinaisons des atomes, et l'Univers est réductible à un formidable jeu de billard cosmique. Une conception à laquelle Newton s'opposera violemment. En établissant la loi de l'attraction universelle, I' astronome anglais affirme que les masses de l'Univers sont capables de s'attirer les unes les autres à travers le vide de l'espace, quelle que soit la distance qui les sépare. Or, pour le fan-club de Descartes, l'espace vide n'existe pas. L'Univers est rempli de tourbillons. Certains constituent la matière, d'autres, en poussant les premiers dans un sens ou dans l'autre, expliquent les mouvements des projectiles et des planètes.  
    Le problème posé par l'action à distance, dans laquelle on rangea aussi l'électricité et le magnétisme, fut finalement résolu par la notion de champ. Lorsque vous appelez votre oncle d'Amérique, votre voix, par l'intermédiaire d'un petit aimant, fait bouger des électrons. Un quart de seconde plus tard, des petites billes identiques se mettent à gigoter de la même façon dans l'écouteur du téléphone du tonton, à 5'000 km de là.  
    Problème : où est passée l'énergie d'agitation des électrons pendant ce fameux quart de seconde ? Réponse : il existe dans l'espace quelque chose, le champ électromagnétique, dont les ondulations emportent de proche en proche l'énergie transmise par les électrons.  
    À la fin du XIXe siècle, il y avait donc d'un côté la matière, sous forme de petites billes (atomes, molécules, électrons, protons), et de l'autre les "champs", les interactions qui s'exerçaient entre ces particules. Il se trouve que les ondes électromagnétiques, comme la lumière, sont en fait constituées de particules individuelles, les photons. À l'inverse, tous les petits machins durs censés servir de briques au monde tangible se comportent comme des ondes. Au grand dam des atomistes, qui, soucieux de réduire l'apparence des choses à leurs mécanismes sous-jacents, continuaient pourtant allègrement à attribuer aux atomes les propriétés du monde sensible, dureté, position bien définie. La fondation de la mécanique quantique fut l'occasion d'une nouvelle saga de disputes, de drames autour de la sempiternelle question : faut-il vraiment chercher à expliquer ce qui se cache derrière l'apparence des choses ?  
    La paix semble être revenue au pays des physiciens, où la théorie des champs forme aujourd'hui le fameux "modèle standard". Le monde serait constitué d'entités quantiques, appelons-les particules, faute de mieux. Certaines sont des particules de "matière", les autres des particules de "champ". La différence entre les deux repose sur une propriété microscopique que personne ne comprend vraiment. Les particules de champ—ou bosons—sont sociales. Elles acceptent volontiers la présence de leurs congénères, et ont tendance à s'imiter les unes les autres, à se mettre dans le même état physique (vitesse, position, etc.). En revanche, les particules constitutives de la matière—les fermions—sont "antisociales". Elles ne supportent pas de se retrouver dans le même état que leurs semblables et doivent toujours s'en démarquer par n'importe quel petit quelque chose. C'est ce qui explique la "dureté" de la matière. Dans un atome par exemple, chaque électron (un fermion) squatte son bout d'espace en interdisant à ses frangins de s'en approcher. Si cela n'avait pas été le cas, à chaque fois que vous posez le doigt sur un morceau de métal, ses électrons et les vôtres auraient tendance à s'agglutiner et le doigt passerait au travers de la plaque.  
   

"La cause de la pesanteur est ce que je ne prétend pas connaître" a modestement reconnu Isaac Newton (1642-1727), interrogé sur l'origine de la gravitation.

 
    Les protons et les neutrons, les deux éléments constitutifs du noyau atomique, ne sont eux-mêmes qu'un assemblage de quarks. Il y en a deux sortes, les u et les d, de charge électrique différente. En combinant des quarks u et d, nous obtenons soit une particule neutre, le neutron, soit un proton, porteur d'une charge positive. Les noyaux capturent des électrons pour former des atomes, qui s'associent entre eux par une espèce de système velcro quantique entre leur essaim d'électrons, pour former des molécules. Et les molécules se chargent de constituer toutes les variétés possibles de la matière. À en croire les accélérateurs de particules et les rayons cosmiques, la nature a jugé bon d'accoucher de deux autres versions, plus massives, des membres de la famille fermion. Des sortes de monstres, puisque la matière ordinaire n'est constituée que par la première des trois tribus.  
    Les interactions entre fermions s'exercent par l'intermédiaire des bosons. Le système est astucieux : chacun se démarque par un signal particulier, qui l'autorise à recevoir une passe d'un autre fermion avec lequel il échange un boson. À chaque signal correspond une balle différente, porteuse de l'une des quatre interactions fondamentales. La force forte, qui maintient la cohésion du noyau, s'exerce entre quarks via les gluons. Une propriété particulière, la couleur, est aux quarks ce que la charge électrique est aux protons et aux électrons. Il y en a des verts, des rouges et des bleus, trois équipes qui s'échangent en permanence leurs maillots par l'intermédiaire des gluons. La force faible ? responsable de la radioactivité, s'exerce à travers l'échange de trois bosons : les frères W+ et W- et un copain, le Z°. Enfin, les particules électriquement chargées s'envoient des photons, médiateurs de la force électromagnétique.  
    Il en manque une : la gravitation, qui s'exerce entre des particules chargées de… masse. Les physiciens aimeraient bien lui attribuer une particule de champ, un boson que l'on pourrait baptiser graviton, mais ils n'y sont pas parvenus.  
    La situation est donc la suivante : à ma droite, les forces faible et forte et l'électricité. Bien intégrées dans le modèle standard ? elles sont décrites par un système qui rappelle furieusement la grandiose vision du vieux Descartes. À ma gauche, la gravitation, fille de Newton et mère de toutes les autres, qui dit que non, elle ne veut pas y aller. A quand le prochain round ?  
   

1ère famille :

Nom

Quark down

Quark up

électron

neutrino

les normaux

Symbole

d

u

e

v

Charge électrique

-1/3

2/3

-1

0

2ème famille :

Nom

Quark charme

Quark strange

électron

neutrino muonique

les mêmes. mais

Symbole

c

s

m

v

plus lourds

Charge électrique

+2/3

-1/3

-1

0

3ème famille :

Quark top

Quark bottom

électron

neutrino tauique


encore

neutrino

t

b

t

v

plus lourds

Charge électrique

+2/3

-1/3

-1

 
       
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