Les 4 forces fondamentales de l’Univers – Partie II
Dans la première partie, nous avons rencontré deux des quatre acteurs qui gouvernent notre Univers :
la gravitation et l’électromagnétisme.
Newton nous avait fait tomber une pomme, Einstein avait tordu l’espace-temps, Galvani avait fait gigoter des grenouilles mortes, Ørsted une boussole, Faraday des électrons et Maxwell avait fini par réunir l’électricité, le magnétisme et la lumière dans une même histoire.
Pas mal pour un premier épisode.
Mais nous nous étions quittés sur un problème assez embarrassant.
Prenez un noyau atomique.
Il contient des protons chargés positivement.
Or deux charges électriques positives se repoussent.
Donc, en toute logique, plusieurs protons entassés dans un espace incroyablement petit devraient avoir une envie assez irrésistible de prendre chacun une direction différente.
Et pourtant le noyau tient.
Pourquoi ?
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Acte III : l’interaction forte
La force qui empêche le noyau de voler en morceaux
À l’intérieur du noyau, les protons subissent donc une répulsion électromagnétique.
Mais à très courte distance intervient une autre interaction, beaucoup plus intense :
l’interaction forte.
Son nom n’est pas particulièrement subtil, mais il a le mérite d’être clair.
À l’échelle des particules élémentaires, l’interaction forte agit notamment entre les quarks, les constituants des protons et des neutrons.
Elle est décrite par une théorie appelée chromodynamique quantique, ou QCD.
Les particules qui transmettent cette interaction sont les gluons.
Et là encore, le nom est assez bien choisi : du mot anglais glue, « colle ».
Les gluons participent en quelque sorte à la colle fondamentale qui maintient les quarks confinés à l’intérieur des protons et des neutrons.
Mais ce n’est pas exactement cette interaction brute qui colle directement les protons et les neutrons ensemble dans un noyau.
Entre nucléons agit ce que l’on peut considérer comme un effet résiduel de l’interaction forte.
Une comparaison imparfaite mais utile serait celle-ci : un atome peut être globalement neutre tout en exerçant encore certaines forces sur son voisin. De la même manière, les protons et neutrons sont globalement « neutres » vis-à-vis de la couleur portée par les quarks, mais une partie de l’effet de l’interaction forte subsiste entre eux.
Sans elle, pas de noyaux complexes.
Pas de carbone.
Pas d’oxygène.
Pas de chimie telle que nous la connaissons.
Et, accessoirement, personne pour lire cet article.
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Acte IV : l’interaction faible
Il nous reste maintenant notre quatrième acteur.
Et il porte un nom qui pourrait faire croire qu’il s’agit du membre un peu fragile de la famille :
l’interaction faible.
Ce serait une erreur.
Elle est effectivement beaucoup moins intense que l’interaction forte à certaines échelles, mais elle est indispensable à des phénomènes fondamentaux.
Elle intervient notamment dans certaines formes de radioactivité, dans les réactions nucléaires au cœur des étoiles et dans les transformations de particules.
Et pour la comprendre, il faut revenir à un problème qui, au début du XXe siècle, a donné quelques sueurs froides aux physiciens.
Un neutron disparaît, et l’énergie semble partir avec
Prenons une désintégration bêta.
Un neutron peut se transformer en proton tout en émettant un électron.
On pourrait alors écrire naïvement :
neutron → proton + électron
Le problème, c’est que lorsque les physiciens mesurent l’énergie de l’électron produit, les comptes ne tombent pas juste.
Une partie de l’énergie semble manquer.
Et en physique, lorsqu’une quantité fondamentale semble disparaître, ce n’est généralement pas très bon pour l’ambiance.
Niels Bohr envisage même un temps que la conservation de l’énergie puisse ne pas être parfaitement respectée dans ces réactions.
Mais un autre physicien refuse cette idée.
Pauli invente une particule que personne n’a vue
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En 1930, Wolfgang Pauli propose une solution audacieuse.
Et par « audacieuse », comprenez :
inventer une particule que personne n’a jamais observée.
Pauli suppose qu’une particule électriquement neutre, très légère et extrêmement difficile à détecter emporte l’énergie qui semble manquer.
À l’époque, il ne l’appelle d’ailleurs pas encore « neutrino ».
Le terme sera popularisé ensuite, notamment avec Enrico Fermi.
La réaction correcte peut aujourd’hui s’écrire :
neutron → proton + électron + antineutrino électronique
L’énergie n’avait donc pas disparu.
Elle était simplement partie avec une particule incroyablement discrète.
Une particule tellement discrète qu’elle peut traverser de grandes quantités de matière sans interagir avec quoi que ce soit.
À chaque seconde, des milliards de neutrinos traversent votre corps.
Rassurez-vous : ils n’ont probablement même pas remarqué votre présence.
Fermi met de l’ordre dans tout cela
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Quelques années plus tard, Enrico Fermi transforme l’idée de Pauli en une véritable théorie de la désintégration bêta.
Son travail publié en 1933-1934 constitue une étape fondamentale dans la compréhension de ce que nous appelons aujourd’hui l’interaction faible.
Fermi est d’ailleurs l’un de ces personnages que l’histoire de la physique semble incapable de ranger dans une seule case.
Physique nucléaire, mécanique quantique, statistiques, réacteurs…
En 1942, il dirige notamment l’équipe qui réalise à Chicago la première réaction nucléaire en chaîne contrôlée avec Chicago Pile-1.
Si quelqu’un avait eu besoin d’une carte de visite, il aurait probablement fallu l’imprimer en recto-verso.
Le neutrino finit par se faire prendre
Il reste toutefois un problème assez gênant.
Pauli a proposé sa particule en 1930.
Fermi l’a intégrée dans une théorie.
Mais personne ne l’a encore réellement observée.
Et pour cause : le neutrino interagit très peu avec la matière.
Le détecter revient un peu à essayer de repérer un fantôme qui traverse les murs sans toucher les meubles.
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Dans les années 1950, Frederick Reines et Clyde Cowan ont une idée.
S’ils veulent observer une particule qui interagit extrêmement rarement, autant se placer à proximité d’un endroit qui en produit une quantité gigantesque.
Un réacteur nucléaire fera parfaitement l’affaire.
En 1956, ils annoncent la détection expérimentale de l’antineutrino électronique.
Pauli avait proposé l’existence de cette particule environ vingt-six ans plus tôt.
Il aurait plaisanté sur le fait que tout vient à point à qui sait attendre.
En physique des particules, manifestement, il faut parfois savoir attendre très longtemps.
Une expérience qui brise le miroir
L’histoire de l’interaction faible réserve encore une autre surprise.
Pendant longtemps, les physiciens supposent qu’une loi de la nature doit fonctionner de la même manière si l’on observe son image dans un miroir.
Cette propriété est appelée symétrie de parité.
En simplifiant énormément : si vous filmez une expérience puis regardez son reflet dans un miroir, les lois de la physique devraient rester les mêmes.
En 1956, les physiciens Tsung-Dao Lee et Chen Ning Yang remettent cette idée en question pour les interactions faibles.
Ils proposent plusieurs expériences permettant de la tester.
Et c’est ici qu’entre en scène une physicienne exceptionnelle :
Chien-Shiung Wu.
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Wu et son équipe étudient la désintégration bêta de noyaux de cobalt-60 refroidis à très basse température et orientés dans un champ magnétique.
Le résultat est spectaculaire.
Les électrons ne sont pas émis de manière symétrique.
La nature distingue donc la gauche de la droite dans l’interaction faible.
La symétrie de parité est violée.
C’est l’un de ces moments délicieux où l’Univers nous rappelle que notre intuition n’a absolument aucune valeur contractuelle.
Lee et Yang recevront le prix Nobel de physique en 1957 pour leurs travaux sur la parité.
Wu, malgré son rôle expérimental décisif, ne partagera pas ce Nobel.
Nous avons maintenant nos quatre acteurs
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Nous pouvons enfin réunir notre distribution complète.
La gravitation agit sur tout ce qui possède de l’énergie et de la masse et domine aux très grandes échelles.
L’électromagnétisme agit sur les particules chargées et gouverne notamment l’électricité, le magnétisme, la lumière et une immense partie de la chimie.
L’interaction forte lie les quarks et, par son effet résiduel, participe à la cohésion des noyaux atomiques.
L’interaction faible permet certaines transformations de particules et intervient notamment dans la radioactivité bêta et les réactions nucléaires des étoiles.
Quatre interactions.
Et avec elles, nous arrivons à expliquer une quantité phénoménale de choses.
Mais pas tout.
Parce qu’il reste un problème
Trois de ces interactions ont aujourd’hui leur place dans le Modèle standard de la physique des particules :
l’électromagnétisme, l’interaction forte et l’interaction faible.
La gravitation, elle, reste à part.
Notre meilleure théorie de la gravitation est la relativité générale d’Einstein.
Notre meilleure description des trois autres interactions repose sur la physique quantique.
Et lorsque l’on tente de réunir proprement les deux descriptions dans certaines conditions extrêmes…
les ennuis commencent.
Les trous noirs, les tout premiers instants de l’Univers et la recherche d’une théorie quantique de la gravitation continuent donc de rappeler aux physiciens une vérité assez inconfortable :
Einstein a passé une partie de sa vie à chercher cette unification.
Un siècle plus tard, nous la cherchons encore.
Et quelque part, c’est plutôt rassurant.
L’Univers a encore quelques secrets en réserve.
