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

A ce stade de connaissance on peut établir un premier tableau qui fait la synthèse de ce que l’on vient d’évoquer concernant les composants élémentaires et les forces mises en jeu (hors gravitation).

C’est le tableau, figure 1, avec en bleu les messagers des trois forces :

Les quarks (roses) et les leptons (verts) sont structurés en trois familles I, II, III de composants. On dénombre ainsi douze fermions « briques élémentaires » plus quatre bosons (bleus) médiateurs des forces.

Source - © 2016 CERN / IPNL / CMS

Figure 1. Équivalent moderne du tableau de Mendeleïev (3 familles, 12 composants et 4 quanta de force)

Les quarks lourds (c,b,t) et les leptons lourds (μ et τ), ainsi que les bosons Z° et W ne sont pas stables : ils se désintègrent rapidement en composants plus légers. Par exemple : W en électron + neutrino, Z° en paire de leptons, quark top en W + quark de charge -1/3,…

Nous allons voir que ce tableau va être complété par au moins un chaînon manquant.

Pourquoi autant de forces ? Les théoriciens ont commencé avec succès à unifier certaines d’entre elles qui apparaissent comme la manifestation d’une même force suivant le domaine d’énergie où elles agissent. C’est ce que résument les figures 2 et 3 :

Source - © 2016 CERN / IPNL / CMS

Figure 2. Unification des forces

La loi de la gravitation universelle (Newton, Galilée) a unifié dans une même théorie les forces de gravité qui s’exercent entre les objets célestes et celles qui s’exercent entre la matière et la terre. Maxwell a unifié la force magnétique et la force électrique dans la théorie classique de l’électromagnétisme (~1870), ensuite Fermi puis Glashow (1961), puis Weinberg et Salam dans les années 1967 ont contribué à l’unification des interactions faible et électromagnétique en une théorie électrofaible unique.

Avec des extensions du Modèle Standard une description unifiée de l’interaction électrofaible et de l’interaction forte est tentée avec les théories de grande unification (GUT). Les théoriciens continuent leurs efforts en élaborant des théories de super unification incluant la gravitation.

Source - © 2016 CERN / IPNL / CMS

Figure 3. Température de l'univers au cours du temps

Dans notre environnement actuel où la température de l’univers est de 3°K, on ressent quatre forces bien distinctes et l’on vit quotidiennement grâce à elles. Mais à plus haute température, ou de façon équivalente très peu de temps après le big bang, alors que l’univers est extrêmement confiné, on spécule qu’une seule force était à l’action à l’échelle d’énergie dite de Planck ~10¹⁹ GeV. Avec les accélérateurs actuels (le collisionneur LHC du CERN, qui recrée les conditions d’environ 10^-13 s après le big bang, on explore la zone d’unification forte-électrofaible (quelques TeV). On est encore loin d’explorer le domaine de GUT, de l’ordre de 10¹⁵ GeV !