Toute la nature jaillit d’une poignée de composants – les particules fondamentales – qui n’interagissent entre eux que de quelques manières différentes. Dans les années 1970, les physiciens ont développé un ensemble d’équations décrivant ces particules et ces interactions. Ensemble, les équations ont formé une théorie succincte aujourd’hui connue sous le nom de modèle standard de la physique des particules.
Le modèle standard manque de quelques pièces de puzzle (brillent par leur absence les particules putatives qui composent la matière noire, celles qui véhiculent la force de gravité, et une explication de la masse des neutrinos), mais il fournit une image extrêmement précise de presque tous les autres phénomènes observés.
Pour un cadre qui encapsule notre meilleure compréhension de l’ordre fondamental de la nature, le modèle standard manque encore d’une visualisation cohérente. La plupart des tentatives sont trop simples, ou bien elles ignorent des interconnexions importantes, ou encore elles sont désordonnées et écrasantes.
Considérez la visualisation la plus courante, qui montre un tableau périodique de particules :
Cette approche n’offre pas d’aperçu des relations entre les particules. Les particules porteuses de forces (à savoir le photon, qui véhicule la force électromagnétique, les bosons W et Z, qui véhiculent la force faible, et les gluons, qui véhiculent la force forte) sont mises sur le même pied que les particules de matière entre lesquelles ces forces agissent – quarks, électrons et leurs semblables. En outre, des propriétés clés telles que la « couleur » sont laissées de côté.
Une autre représentation a été élaborée pour le film Particle Fever de 2013 :
Bien que cette visualisation souligne correctement la centralité du boson de Higgs – le pivot du modèle standard, pour les raisons expliquées ci-dessous – le Higgs est placé à côté du photon et du gluon, même si en réalité le Higgs n’affecte pas ces particules. Et les quadrants du cercle sont trompeurs – laissant entendre, par exemple, que le photon ne se couple qu’aux particules qu’il touche, ce qui n’est pas le cas.
Une nouvelle approche
Chris Quigg, physicien des particules au Fermi National Accelerator Laboratory dans l’Illinois, réfléchit depuis des décennies à la manière de visualiser le modèle standard, espérant qu’une représentation visuelle plus puissante aiderait à familiariser les gens avec les particules connues de la nature et les inciterait à réfléchir à la manière dont ces particules pourraient s’intégrer dans un cadre théorique plus large et plus complet. La représentation visuelle de Quigg montre davantage l’ordre et la structure sous-jacents du modèle standard. Il appelle son schéma la représentation « double simplex », car les particules gauches et droites de la nature forment chacune un simplex – une généralisation d’un triangle. Nous avons adopté le schéma de Quigg en y apportant d’autres modifications.
Construisons le double simplex à partir de zéro.
Des quarks au fond
Les particules de matière se présentent sous deux variétés principales, les leptons et les quarks. (Notez que, pour chaque type de particule de matière dans la nature, il existe également une particule d’antimatière, qui a la même masse mais est opposée de toutes les autres façons. Comme l’ont fait d’autres visualisations du Modèle standard, nous éludons l’antimatière, qui formerait un double simplex inversé distinct.)
Commençons par les quarks, et en particulier les deux types de quarks qui composent les protons et les neutrons à l’intérieur des noyaux atomiques. Il s’agit du quark up, qui possède deux tiers d’une unité de charge électrique, et du quark down, dont la charge électrique est de -1/3.
Les quarks up et down peuvent être « gauchers » ou « droitiers » selon qu’ils tournent dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse par rapport à leur sens de déplacement.
Changement faible
Les quarks up et down gauchers peuvent se transformer l’un en l’autre, via une interaction appelée la force faible. Cela se produit lorsque les quarks échangent une particule appelée boson W – l’un des porteurs de la force faible, avec une charge électrique de +1 ou -1. Ces interactions faibles sont représentées par la ligne orange :
Étrangement, il n’existe pas de bosons W droitiers dans la nature. Cela signifie que les quarks up et down droitiers ne peuvent pas émettre ou absorber de bosons W, et qu’ils ne se transforment donc pas les uns dans les autres.
Couleurs fortes
Les quarks possèdent également une sorte de charge appelée couleur. Un quark peut avoir une charge de couleur rouge, verte ou bleue. La couleur d’un quark le rend sensible à la force forte.
La force forte lie les quarks de différentes couleurs en particules composites telles que les protons et les neutrons, qui sont « incolores », sans charge de couleur nette.
Les quarks se transforment d’une couleur à l’autre en absorbant ou en émettant des particules appelées gluons, les porteurs de la force forte. Ces interactions forment les côtés d’un triangle. Comme les gluons possèdent eux-mêmes une charge de couleur, ils interagissent constamment entre eux ainsi qu’avec les quarks. Les interactions entre les gluons remplissent le triangle.