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Les particules élémentaires et les forces entre elles : bref état de nos connaissances actuelles (2016)

1. Historique du Big Bang jusqu'à aujourd'hui - (1/5)

Bernard Ille

Institut de Physique Nucléaire de Lyon

Delphine Chareyron

25/04/2016

Résumé

Cette série de 5 articles consécutifs présente l'état actuel de nos connaissances sur les briques élémentaires qui constituent la matière.


Nous présentons, dans ces articles, un rapide (et nécessairement un peu simpliste) état des lieux de ce que l’on sait des briques élémentaires qui constituent la matière dont nous sommes faits ou qui nous entoure.

Comme nous le savons maintenant, cela constitue seulement environ 4% du bilan énergétique de l’univers (matière noire et énergie noire complètent ce bilan comme illustré dans la figure 1).

Figure 1 : Répartition du bilan énergétique de l'univers.

Depuis toujours, l’être humain a essayé de comprendre de quoi la nature est faite et aussi comment tout cela fonctionne. Trouver un ordre dans la diversité : c’est une démarche réductionniste pour expliquer la diversité et la complexité de ce que l’on observe à partir d’éléments simples.

Sans remonter jusqu’à Mochos de Sidon (~ -1200 ans) ou Leucippe et son disciple Démocrite (~ -500 ans) qui avaient eu l’intuition d’une théorie atomiste de la matière, le diagramme de la figure 2 illustre cette démarche au cours du temps, avec en particulier une étape importante correspondant à la classification de Mendelïev des composants chimiques (1867) suivie tout le long du 20e siècle de la découverte de composants encore plus élémentaires et de dimensions beaucoup plus petites rendue possible grâce aux développements technologiques et théoriques.

Figure 2 : Représentation du nombre de composants « basiques » au cours du temps : on voit que si le nombre actuel de « briques » se situe à l’heure actuelle autour d’une quinzaine, les projections théoriques (vers 2020 et au-delà) en proposent sensiblement plus. C’est ce que l’on évoquera plus loin.

1. Le Big Bang et le contexte de la physique des particules

Juste après le Big Bang, comme l’illustrent les figures 3 et 4 qui retracent l’histoire de l’univers avec un zoom sur ses premiers instants, il règne une température extrême ou, ce qui est équivalent, une densité d’énergie colossale.

A quelque 10-30 seconde après le Big Bang, il y a formation de matière sous forme de particules dites élémentaires (E= Mc2) à l’état libre qui interagissent entre elles au moyen de différentes forces. Toute la structure de notre univers actuel découle de ce qui se joue à ce moment-là.

Figure 3 : Du Big Bang à nos jours : illustration des deux infinis (infiniment petit et infiniment grand). Sont représentés les échelles de temps, d’énergie et de température relatives à chaque époque de l’évolution de l’univers. En particulier ce n’est que 300 000 ans après le Big Bang que la lumière a pu s’échapper (début du domaine de l’astronomie et de l’astrophysique).

La physique des particules (l’infiniment petit), de concert avec la cosmologie (origine de l’univers et son évolution), essaie d’expliquer ces premiers instants en construisant un modèle théorique : le Modèle Standard des particules (MS).

Figure 4 : Détail des premiers instants après le big bang : avant de devenir des structures complexes (noyaux, atomes, molécules...), l’univers est peuplé de grains de matière et de forces en équilibre. Expérimentalement avec les accélérateurs en laboratoire on explore la région de 10-13 seconde.

2. Les avancées depuis la fin du dix-neuvième siècle

Elles sont résumées dans la figure 5 : la matière est discontinue, elle est constituée de molécules et d’atomes, eux-mêmes constitués d’un noyau chargé électriquement environné d’un cortège d’électrons de charge opposée (les atomes sont électriquement neutres).

Chaque noyau est complexe : il est constitué de nucléons (protons positivement chargés et neutrons sans charge électrique).

Chaque nucléon est constitué de sous-constituants, les quarks, que l’on suppose pour le moment élémentaires, qui portent une charge électrique fractionnaire et qui possèdent un moment angulaire intrinsèque : le spin.

Figure 5 : De la matière macroscopique à ses constituants les plus élémentaires, les quarks.

Le 20e siècle voit la naissance de la physique moderne qui devient mathématique (avec l’apparition de la mécanique quantique et de la mécanique relativiste) et technologique (les accélérateurs et détecteurs).

On peut schématiser les apports essentiels de ces deux théories dans la figure 6 résumant les lois de la physique, leurs domaines d’application et leurs caractéristiques les plus marquantes :

Figure 6 : Les lois de la physique.

Au milieu, la théorie classique qui s’applique dans le domaine du quotidien et des conditions non extrêmes. C’est le domaine de la mécanique classique et de l’électromagnétisme qui régissent notre environnement immédiat.

A droite : le domaine de la relativité restreinte puis générale, qui révolutionne le concept d’espace et de temps, celui des grandes structures de l’univers, des grandes vitesses, des phénomènes extrêmement violents (macroscopiques autant que microscopiques). L’une des lois fondamentales qui en est issue est l’équivalence énergie–matière qui joue un rôle déterminant au moment du Big Bang. La détection directe récente d’une onde gravitationnelle (au moyen de l’antenne LIGO aux USA) prédite par Einstein dans le cadre de cette théorie il y a un siècle en est une nouvelle preuve indiscutable.

A gauche : le domaine de la mécanique quantique qui est certainement le moins connu et le plus difficile à appréhender : c’est le domaine de la théorie quantique des champs qui régit le monde des particules élémentaires et des systèmes de très petites dimensions. Elle révolutionne le concept de continuité et de mesure : par exemple, avec le principe d’indétermination de Werner Heisenberg qui dit qu’il y a une limite inférieure à la précision avec laquelle on peut connaitre l’énergie d’une particule lorsque l’on ne dispose que d’un créneau temporel pour la mesure (plus ce créneau est faible, plus l’indétermination sur l’énergie sera grande) ; par exemple aussi le concept d’interaction entre particules interprétée comme étant l’échange d’une particule dite de jauge...

La mécanique quantique relativiste introduit de plus la notion de spin qui est une propriété intrinsèque de la particule ; le spin est caractérisé par un nombre quantique entier (boson) ou demi-entier (fermion). La matière est constituée de fermions qui obéissent, contrairement aux bosons, au principe d’exclusion de Pauli qui est fondamental dans la structuration de la matière car il interdit à deux fermions d’occuper le même état quantique (d’où l’apparition des niveaux d’énergie de l’atome).

Pour le moment la mécanique quantique et la relativité générale, toutes deux confirmées avec une grande précision par l’expérience, ne peuvent être intégrées dans une théorie fondamentale unique. On ne sait pas (encore … ?) faire, bien que l’on sache que chacune d’elle intervient dans des conditions extrêmes.