La physique des infinis, Francis Bernardeau, Etienne Klein, Sandrine Laplace, Michel Spiro, 2013

 

Aujourd’hui les constituants que nous croyons fondamentaux, ce sont six quarks et six leptons qui constituent les briques du modèle standard de la physique des particules. Et la masse de ces particules fait finalement intervenir une seule particule : le boson de Higgs. La matière ordinaire ne fait appel qu’à l’une des trois familles : les quarks up et down, l’électron et le neutrino électronique). Les deux autres familles, avec des particules plus lourdes ne se manifeste que lorsque beaucoup d’énergie entre en jeu.

Les forces se manifestent par l’échange de bosons entre des particules de matière (e.g. l’électromagnétisme repose sur une échange de photon, l’interaction entre les quarks sur une échange de gluons, l’interaction forte (au sein du noyau) est un échange de mésons).

La désintégration beta de Fermi : le proton et le neutron sont deux états différents d’un même objet fondamental ; quant à l’électron expulsé, il ne préexiste pas dans noyaux mais il est créé en même temps que le neutrino, lors du processus de transformation d’un neutron du noyau en un proton.  Ce modèle de Fermi est le précurseur  du modèle standard.

Schrödinger acquiert la conviction que le monde physique est exclusivement constitué de phénomènes ondulatoires (et non pas de fragment de matière). Il se représente les électrons autour du noyau comme des cordes vibrantes dont les extrémités se rejoignent.

Le principe dit « d’incertitude » d’Heisenberg : on le résume en disant qu’on ne peut connaitre à la fois la vitesse et la position d’une particule. Or selon la théorie quantique, une particule quantique n’est jamais un corpuscule, elle ne peut donc avoir des propriétés de particules (vitesse ou position). La physique quantique ne limite pas notre pouvoir de connaitre. Elle dit simplement que les objets quantiques ne sont pas des objets classiques.

La théorie de la relativité ne dit pas que le temps est élastique et qu’il s’écoule à des vitesses différentes pour des observateurs différents. Ce que dit Einstein est que chaque observateur est doté d’un temps propre. Passer du point de vue d’un observateur à celui d’un autre observateur, ce n’est ni diminuer ni augmenter la vitesse d’un temps unique commun aux deux, mais c’est passer d’un temps propre particulier à un autre temps propre, sans que l’on puisse dire que l’un s’écoule plus rapidement.  Un individu qui partirait dans l’espace reviendrait plus jeune car moins de temps se serait écoulé pour lui que pour ceux sur la terre. En revanche, il ne mettra pas moins de temps à lire un livre.

En introduisant de nouveaux éléments dans les équations de la relativité générale, cela pouvait provoquer une expansion accélérée.  Cette idée permet l’inflation, une phase d’expansion accélérée dont on a besoin pour expliquer la géométrie de l’univers – les photons, à très grande échelle et lorsqu’ils ne sont pas attirés par une masse locale, se propage en ligne droite : les cosmologistes parlent d’univers plat et de géométrie euclidienne.

Depuis 1980 où le paradigme de l’inflation a été mis sur la table, deux choses ont changé : la preuve de l’existence d’un champ scalaire avec la découverte du boson de Higgs ; et la découverte de l’accélération de l’univers sous l’effet de l’énergie noire, prédite par la phase inflationnaire. On ne sait toujours pas quelle est la nature de cette accélération – peut être un autre champ scalaire – mais le paradigme de l’inflation s’en trouve renforcé.

Le modèle standard prédisait que les masses des particules élémentaires devaient être nulles. Cela pouvait être juste si nous avions mal compris ce qu’était la masse: ce n’est pas une propriété intrinsèque des particules, mais une propriété partagée entre les particules et le vide quantique. Une vraie révolution dans la manière de penser le concept de masse.

Les physiciens ont eu du mal à mettre en cause la physique de Newton au XIXe siècle, malgré les données relatives au mouvement de mercure qui semblait la remettre en cause. Ils y voyaient une simple anomalie plutôt qu’une véritable contradiction.

L’inflation doit être associée à un champ possédant un degré de liberté. Ce degré de liberté était actif pendant les phases primordiales de l’Univers et il est à l’origine de la matière selon ce scenario : à la fin de l’inflation, ce champ se transforme en se désintégrant dans toutes les particules accessibles, c’est-à-dire avec lesquelles il est en interaction. Sauf si ce champ est le champ de Higgs (et qu’on a pas encore compris comment s’en servir), il faudra rajouter des nouveaux champs, c’est-à-dire de nouvelles particules, au Modèle standard.

L’échelle d’énergie du LHC est de l’ordre du TeV. C’est l’échelle d’énergie ou devrait apparaitre une « nouvelle physique », en particulier ces nouvelles particules permettant d’étendre ou de dépasser le Modèle standard (supersymetrie, ou besoin de matière des cosmologistes).

On peut cartographier les grandes structures de l’espace proche, jusqu’à un décalage vers le rouge égal à 1 – c’est à ce moment-là que l’énergie noire devient active, il y a 5 à 7 milliards d’années. La densité d’énergie noire devient comparable à la densité d’énergie des particules classiques, ce qui permet d’avoir une manifestation  observationnelle.