5. Vers une physique unifiée
Pour de grands systèmes comme les astres, c’est l’interaction gravitationnelle qui
prédomine. Selon la relativité générale énoncée par Einstein, l’interaction gravitationnelle apparaît comme une modification de la structure géométrique de l’espace-temps
en présence de distribution de masse-énergie.
• L’interaction forte est l’interaction qui s’exerce de manière attractive entre toutes les
particules constituant le noyau, indépendamment de leurs charges. Cette interaction
ne concerne que la physique nucléaire (voir chapitre 26).
• L’interaction faible intervient dans de nombreux processus de désintégration,
notamment dans celui du neutron et de la radioactivité bêta (voir chapitre 26). Son
intensité et sa portée sont plus faibles que pour l’interaction forte.
De nombreux chercheurs ont tenté d’unifier ces interactions dans un modèle unique.
Le modèle standard de la physique des particules (en abrégé « modèle standard ») est
la théorie actuelle qui permet d’expliquer tous les phénomènes observables à l’échelle
des particules. Ce modèle permet d’unifier les interactions électromagnétiques, fortes
et faibles mais pas la gravitation qui est toujours expliquée dans le cadre de la relativité
générale.
Le modèle standard est le fruit de près de 40 ans de recherche (1948-1983). L’aventure
a commencé avec la théorie de l’électrodynamique quantique (en anglais QED pour
Quantum ElectroDynamic) qui est la théorie quantique et relativiste de l’interaction
électromagnétique : Richard Feynman (1918-1988) fut un des grands artisans de cette
théorie, qui reçut le prix Nobel en 1965. En 1961, Sheldon Glashow (né en 1932) propose
d’unifier les interactions électromagnétique et faible en une interaction qu’il appelle
électrofaible. En 1967, Steven Weinberg (né en 1933) et Abdus Salam (1926-1996)
modifient ce modèle en imaginant le boson de Higgs qui permet de donner une masse aux
particules décrites par la théorie électrofaible de Glashow. Glashow, Weinberg et Salam
reçoivent le prix Nobel en 1979. Au début des années 1970, des théoriciens mettent
au point la théorie de la chromodynamique quantique (en anglais QCD pour Quantum
ChromoDynamic) qui s’ajoute à la théorie électrofaible pour expliquer l’interaction forte.
Murray Gell-Mann (né en 1929) fut un des grands contributeurs à l’élaboration de cette
théorie. Le modèle standard est ainsi achevé et de nombreuses expériences (réalisées
notamment avec les accélérateurs de particules qui se développèrent à partir des années
1960) confirmeront par la suite l’existence des particules prédites par ce modèle.
Dans le modèle standard, la matière se compose de particules appelées fermions, au
nombre de 24 : 12 particules élémentaires les leptons et les quarks, et 12 antiparticules.
Les antiparticules initialement prédites comme étant les symétriques des particules mais
de charge opposée, ont été observées expérimentalement au fur et à mesure des progrès
technologiques. Les leptons au nombre de 6 comprennent l’électron, le muon, le tauon
avec pour chacun leur neutrino associé ; les quarks peuvent avoir 6 saveurs : up, down,
strange, charm, bottom, top. En fait les quarks n’apparaissent jamais libres (par exemple,
un proton correspond à 2 quarks up et 1 quark down tandis qu’un neutron correspond à
1 quark up et 2 quarks down). Gell-Mann donna des « charges de couleurs » aux quarks
pour représenter leurs spécificités (d’où le nom de chromodynamique) : ces « couleurs »
sont le rouge, le bleu et le vert. Les quarks peuvent former trois types de particules
©
Dunod – La photocopie non autorisée est un délit
17
“Gautron_9782100543007” (Col. : ScienceSup3-193x250) — 2010/6/15 — 17:13 — page 17 — #27
i
i
i
i
Pour de grands systèmes comme les astres, c’est l’interaction gravitationnelle qui
prédomine. Selon la relativité générale énoncée par Einstein, l’interaction gravitationnelle apparaît comme une modification de la structure géométrique de l’espace-temps
en présence de distribution de masse-énergie.
• L’interaction forte est l’interaction qui s’exerce de manière attractive entre toutes les
particules constituant le noyau, indépendamment de leurs charges. Cette interaction
ne concerne que la physique nucléaire (voir chapitre 26).
• L’interaction faible intervient dans de nombreux processus de désintégration,
notamment dans celui du neutron et de la radioactivité bêta (voir chapitre 26). Son
intensité et sa portée sont plus faibles que pour l’interaction forte.
De nombreux chercheurs ont tenté d’unifier ces interactions dans un modèle unique.
Le modèle standard de la physique des particules (en abrégé « modèle standard ») est
la théorie actuelle qui permet d’expliquer tous les phénomènes observables à l’échelle
des particules. Ce modèle permet d’unifier les interactions électromagnétiques, fortes
et faibles mais pas la gravitation qui est toujours expliquée dans le cadre de la relativité
générale.
Le modèle standard est le fruit de près de 40 ans de recherche (1948-1983). L’aventure
a commencé avec la théorie de l’électrodynamique quantique (en anglais QED pour
Quantum ElectroDynamic) qui est la théorie quantique et relativiste de l’interaction
électromagnétique : Richard Feynman (1918-1988) fut un des grands artisans de cette
théorie, qui reçut le prix Nobel en 1965. En 1961, Sheldon Glashow (né en 1932) propose
d’unifier les interactions électromagnétique et faible en une interaction qu’il appelle
électrofaible. En 1967, Steven Weinberg (né en 1933) et Abdus Salam (1926-1996)
modifient ce modèle en imaginant le boson de Higgs qui permet de donner une masse aux
particules décrites par la théorie électrofaible de Glashow. Glashow, Weinberg et Salam
reçoivent le prix Nobel en 1979. Au début des années 1970, des théoriciens mettent
au point la théorie de la chromodynamique quantique (en anglais QCD pour Quantum
ChromoDynamic) qui s’ajoute à la théorie électrofaible pour expliquer l’interaction forte.
Murray Gell-Mann (né en 1929) fut un des grands contributeurs à l’élaboration de cette
théorie. Le modèle standard est ainsi achevé et de nombreuses expériences (réalisées
notamment avec les accélérateurs de particules qui se développèrent à partir des années
1960) confirmeront par la suite l’existence des particules prédites par ce modèle.
Dans le modèle standard, la matière se compose de particules appelées fermions, au
nombre de 24 : 12 particules élémentaires les leptons et les quarks, et 12 antiparticules.
Les antiparticules initialement prédites comme étant les symétriques des particules mais
de charge opposée, ont été observées expérimentalement au fur et à mesure des progrès
technologiques. Les leptons au nombre de 6 comprennent l’électron, le muon, le tauon
avec pour chacun leur neutrino associé ; les quarks peuvent avoir 6 saveurs : up, down,
strange, charm, bottom, top. En fait les quarks n’apparaissent jamais libres (par exemple,
un proton correspond à 2 quarks up et 1 quark down tandis qu’un neutron correspond à
1 quark up et 2 quarks down). Gell-Mann donna des « charges de couleurs » aux quarks
pour représenter leurs spécificités (d’où le nom de chromodynamique) : ces « couleurs »
sont le rouge, le bleu et le vert. Les quarks peuvent former trois types de particules
©
Dunod – La photocopie non autorisée est un délit
17
“Gautron_9782100543007” (Col. : ScienceSup3-193x250) — 2010/6/15 — 17:13 — page 17 — #27
i
i
i
i