Les modèles sur lesquels la physique moderne est basée sont assemblés avec minutie depuis des siècles, mais il suffit d’un grain de sable subatomique pour perturber cette machine bien huilée.

La physique des particules est décidément une science bien ingrate. Après des décennies de mesures méticuleuses, les équipes du CERN viennent de se heurter à ce qui ressemble fort à une impasse scientifique de premier plan; le modèle standard de la physique des particules, l’un des piliers de notre science moderne, serait-il à deux doigts de voler en éclat ?

Cette question audacieuse mérite d’être posée lorsqu’on se penche sur une étude qui a aujourd’hui fait la une de la prestigieuse revue Science; les physiciens du CERN viennent de réaliser que l’une des particules fondamentales, le boson W, était en fait nettement plus lourde qu’on ne le pensait jusqu’à présent.

Or, comme toutes les propriétés des particules, cette masse est loin d’être négligeable. C’est un élément déterminant de ce qu’on appelle vulgairement le Modèle Standard. C’est un catalogue de concepts et de théories qui décrivent le comportement des unités les plus fondamentales de notre univers et des forces qui les gouvernent.

Si ce modèle tient debout, c’est parce que tous les éléments qui y appartiennent sont intimement liés par différentes relations mathématiques bien définies; elles ont d’abord été théorisées avant d’être confirmées expérimentalement.

La pièce maudite d’un énorme puzzle invisible

L’objectif de ce procédé est de constituer un socle scientifique solide qui sert de base à des tas de travaux très différents. Mais il y a un revers de la médaille; si un seul de ces éléments ne correspond pas, c’est toute la structure qui peut s’écrouler comme un château de cartes.

C’est un problème que les amateurs de puzzle ne connaissent que trop bien; il n’y a rien de pire que d’arriver au bout avant de se rendre compte que la dernière pièce ne correspond pas à l’emplacement restant. Cela signifie forcément qu’il y a d’autres éléments qui ne sont pas non plus à leur place.

C’est en tout cas ce que suggèrent explicitement les chercheurs à l’origine de l’étude. “Si c’est réel, et qu’il ne s’agit pas d’un biais statistique ou d’une incompréhension calculatoire, c’est quelque chose d’énorme”, affirme Harry Cliff, physicien des particules à Cambridge.

Son collègue Ashutosh V. Kotwal, le coordinateur du projet de recherche, partage son interprétation. Selon lui, il existe une “tension significative” entre ces résultats et le modèle standard. En d’autres termes, la physique fondamentale arrive à un carrefour.

Et pour cause : même si les chercheurs s’étaient trompés sur sa masse, ils continuent de penser que ce fameux boson W est l’une des particules les plus importantes dans la dynamique de notre univers. Il est l’un des principaux acteurs de l’interaction faible; sans rentrer dans le détail, c’est l’une des forces fondamentales qui gouvernent l’architecture de l’univers dans son ensemble. “Rien dans l’Univers que l’on observe autour de nous, dans toute sa richesse et sa complexité, ne pourrait exister sans l’interaction faible”, martèle Kotwal.

Dans un puzzle, si une seule pièce du puzzle ne correspond pas, c’est toute l’image finale qui est remise en question. Et c’est pareil pour le Modèle Standard de la physique des particules. © PIRO4D – Pixabay

Le Modèle Standard montre ses limites

Cette incohérence apparente, parmi les plus remarquables à ce jour, s’ajoute à une liste de quelques points de friction avec la réalité observable. Il est indiscutable que le modèle standard tel qu’il est défini aujourd’hui commence à vaciller, et c’est une perspective aussi excitante que terrifiante pour les chercheurs.

En effet, ils savent pertinemment que le modèle standard n’est pas parfait. Le principal souci, c’est qu’il a bien du mal à s’entendre avec la relativité générale définie par Albert Einstein (voir notre article ici). Si cette dernière est parfaite pour expliquer comment les choses fonctionnent à très grande échelle, elle ne marche plus du tout à l’échelle subatomique. Par exemple, dans ce modèle standard, rien ne permet d’expliquer les forces gravitationnelles si bien décrites par la relativité générale.

L’objectif est donc de remplir le vide béant entre ces deux modèles. Nous pourrons alors arriver à une théorie unifiée et globale dite “du Tout”; un objectif après lequel Einstein a couru tout au long de sa carrière. Or, les pièces manquantes du puzzle se cachent vraisemblablement dans ces points de rupture encore obscurs. Et cette nouvelle incohérence sur la masse du boson W en fait indiscutablement partie.

Ce n’est pas forcément une mauvaise nouvelle pour les physiciens; c’est plutôt une lame à double tranchant. D’un côté, c’est une piste supplémentaire qui permet de pousser les modèles jusqu’à leur point de rupture pour en découvrir les limites; une approche qui contribuera peut-être à l’émergence d’une véritable Théorie du Tout. Mais aussi grisantes soient-elles, ces découvertes sont aussi assez terrifiantes. Car à l’heure actuelle, cela signifie aussi que de nombreux travaux ont potentiellement été menés sur la base d’un modèle au mieux inexact, et au pire significativement faussé.

Dans l’idéal, des travaux de ce genre permettront un jour de trouver les pièces qui nous manquent encore pour comprendre le fonctionnement de l’univers dans son ensemble, à toutes les échelles. © Casey Horner – Unsplash

Des confirmations, puis des explications attendues

Cette découverte n’est donc qu’une première étape; il va désormais falloir la confirmer à plusieurs reprises pour éviter de se retrouver à nouveau dans cette situation. Il s’agira ensuite d’en déterminer les conséquences exactes. Mais dans tous les cas, les auteurs de l’étude s’attendent déjà à des débats particulièrement houleux.

C’est soit une découverte majeure ou un problème dans les données”, résume Jan Stark, directeur de la recherche au CNRS, tout en évoquant les “discussions assez tendues” qui attendent la discipline au tournant. Mais pour pouvoir enfin parvenir aux réponses tant attendues, ces confrontations seront indispensables.

Si on doit annoncer quelque chose comme “Nous avons cassé le Modèle Standard”, il faudra bien plus qu’une seule mesure tirée d’une seule expérience”, martèle Cliff. Mais cela tombe bien, car l’équipe n’a pas prévu de lâcher le morceau. “Nous suivrons les indices jusqu’au bout, et nous découvrirons ce que tout cela signifie”, conclut Kotwal avec détermination.

Le texte de l’étude est disponible ici.

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