Le modèle standard de la physique des particules

Pour étudier l’Univers, on étudie l’infiniment petit, voir l’invisible. Mais comment expliquer la physique des particules ? A quoi cela peut-il servir ? Autant de questions que Nathalie Besson, physicienne des particules au CEA, acteur majeur de la recherche, va tenter d'éclaircir.

Physique des particules : l’Univers au niveau des briques élémentaires

Pour comprendre le fonctionnement du Système solaire, on fabrique une maquette et on y positionne ce qu’on a déjà observé : les corps célestes, leurs caractéristiques, leurs mouvements, les lois physiques pertinentes, comme la gravitation universelle... On construit ainsi un planétaire. On peut alors établir des prédictions théoriques, vérifiables par l’observation à l’aide d’un matériel expérimental. Selon le résultat, on peut corriger sa maquette, ou se féliciter.

Dans l’étude des constituants fondamentaux de l’Univers, la maquette est un modèle écrit dans le langage de l’Univers d'après Galilée, les mathématiques. Le modèle standard de la physique des particules décrit donc tout l’Univers en une seule équation. Au cours du temps, certaines observations ont pu conduire à modifier ce modèle et vice-versa, comme la découverte des lunes de Jupiter ou encore celle de Neptune.

Le modèle standard de la physique des particules

Elaboré au cours du XX^e siècle, le modèle standard actuel comporte deux grandes catégories : les constituants élémentaires de la matière et les particules médiatrices des interactions. 

• 12 constituants élémentaires de la matière : 6 leptons en vert (ex : électron, muon, tau et 3 neutrinos) et les 6 quarks en violet (le up et le down, le charme et l’étrange, le beau et le vrai). 
• 4 interactions fondamentales : l’interaction forte (les messagers sont les gluons, ils permettent par exemple la cohésion nucléaire), l’interaction faible (les bosons W+ W- et Z, responsables de la désintégration radioactive), l’interaction électromagnétique (les photons, responsables de la plupart des phénomènes qui nous entourent), la gravité (elle est négligeable et n’est pas prise en compte dans le modèle standard). 
• A ce modèle, il faut rajouter une particule unique en son genre : le boson de Higgs. C’est la manifestation physique du mécanisme qui, au commencement de l’Univers, a permis l’apparition de particules massives. 

Les découvertes du CERN, le Centre Européen pour la Recherche Nucléaire

Ce modèle standard de la physique des particules peut être représenté par une équation qui contient toutes les particules et leurs interactions au sein de l’Univers. Au début des années 60, on le disait prodigieusement prédictif, car tous les calculs du modèle correspondaient aux expériences. Mais, selon le modèle, toutes les particules devaient avoir une masse exactement nulle. Ce postulat fut contredit par l’identification des bosons W et Z, qui sont très massifs. Les théoriciens Englert, Higgs et Brout ont donc décidé de rajouter une particule : le boson de Higgs. Pour valider la théorie, on a imaginé et mis œuvre un nouvel accélérateur de particules : le grand collisionneur de hadrons, le LHC. Depuis, on observe régulièrement le boson de Higgs au cœur des détecteurs, preuve que son existence n'est pas le fruit du hasard.