Ce que nous ne savons pas en physique

Debout sur l'escalier de secours de son bureau à Genève, en Suisse, le professeur assistant de physique Steven Nahn, PhD '98, profite de l'air du soir en énumérant certains des plus grands mystères de l'univers. La question sur laquelle il travaille, dit-il, est si simple qu'un enfant pourrait la poser : d'où vient la masse ?

Détective cosmique : Le professeur Gabriella Sciolla a construit un appareil pour détecter la matière noire.

Pour y répondre, il faut expliquer pourquoi les particules fondamentales qui composent toute la matière de l'univers ont une masse. Ainsi, Nahn et environ 30 autres chercheurs et étudiants du MIT travaillent sur des expériences à exécuter sur le Large Hadron Collider, le nouvel accélérateur de particules basé à l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire. Le LHC est un exercice extrême : à des températures proches du zéro absolu, il accélérera les particules jusqu'aux énergies les plus élevées jamais atteintes expérimentalement, ses milliers d'aimants puissants guidant les protons le long d'un trajet circulaire de 27 kilomètres de circonférence jusqu'à ce qu'ils entrent en collision. L'instrument devrait être pleinement opérationnel plus tard cette année, et Nahn pense qu'il passera la moitié de l'année à y travailler ; ses étudiants et autres chercheurs passent la plupart de leur temps au LHC. Chacun veut faire partie de l'équipe qui enquête sur l'une des plus grandes questions de la physique.

Je trouve cela ironique, réfléchit Nahn. Cela semble être une question très simple, mais il faut un énorme accélérateur et des milliers de physiciens qui y travaillent pour essayer de trouver la bonne réponse.

Beaucoup d'autres questions qui motivent les physiciens du MIT sont tout aussi fondamentales. Un autre problème important que les expériences du LHC pourraient résoudre concerne la nature d'environ 23 % de l'univers, la soi-disant matière noire, dont l'existence est déduite des effets gravitationnels sur les objets visibles. Les physiciens ne savent tout simplement pas ce que c'est. Où sont tous les trucs ? dit Nahn en plaisantant à moitié. Vous penseriez que nous le saurions.

Information additionnelle : 'Ce que nous ne savons pas d'autre'

Être physicien, c'est s'interroger sur ce que le reste d'entre nous tient pour acquis – que les objets ont une masse, que l'univers est constitué de matière au lieu d'antimatière, que la gravité fonctionne.

Les physiciens du monde entier travaillent maintenant à étendre et à réviser la liste des pièces de l'univers - ce qu'on appelle le modèle standard, une distillation compacte d'environ 100 ans de recherche, qui tente de décrire les particules et les forces qui expliquent tous les phénomènes physiques. Le modèle standard comprend 12 particules fondamentales qui constituent la matière telle que nous la connaissons, plus leurs antiparticules égales mais opposées. Il comprend les quatre forces fondamentales régissant les interactions entre les particules : la gravité, l'électromagnétisme (responsable de la lumière, du magnétisme et de l'électricité) et les forces fortes et faibles (qui interviennent dans les interactions au sein des noyaux atomiques). Et il comprend des particules qui portent les quatre forces, bien que celle portant la gravité reste hypothétique.

Ce cadre relie tout ce que les physiciens des particules savent être vrai. Il nous dit que les noyaux atomiques, autrefois considérés comme indivisibles, sont constitués de protons et de neutrons ; les protons et les neutrons sont en outre divisibles en particules appelées quarks, qui sont maintenues ensemble par la force puissante, dont le porteur est le gluon.

Le professeur Frank Wilczek, qui a remporté le prix Nobel de physique en 2004 pour ses travaux sur la force forte, affirme que le modèle standard est une bonne description pratique de la façon dont le monde fonctionne. Mais tout ne s'emboîte pas aussi bien que lui et d'autres le pensent. Le manque de preuves expérimentales du porteur de la gravité, le graviton, est une source de frustration – bien que les physiciens du MIT aient joué un rôle de pionnier en essayant de le détecter et mettent actuellement à niveau les machines qui pourraient être les premières à réussir (voir Catching Einstein's Waves, mai /juin 1008). Et ce n'est que l'un des nombreux problèmes majeurs que les physiciens du MIT tentent de résoudre.

À cette fin, ils construisent des détecteurs de matière noire ; rechercher des particules fondamentales complémentaires à celles que nous connaissons ; et attend avec impatience les résultats des collisions de particules au LHC, qui permettront enfin aux physiciens de tester des décennies de travaux théoriques sur ces descriptions mathématiques austères de notre univers.

Pourquoi les choses ont-elles une masse ?

Pour Nahn, la pièce manquante la plus intrigante du puzzle est la masse. Si vous prenez juste la théorie la plus simple, cela vous dirait que toutes [les particules] sont sans masse, dit-il. Que vous soyez un profane ou un physicien armé de détecteurs de particules sophistiqués, cette perspective semble absurde. Les électrons, qui constituent une fraction négligeable de la masse des atomes individuels, ont une masse d'environ 0,0005 giga-électron-volt (GeV); la particule fondamentale la plus lourde, le quark top, a une masse d'environ 175 GeV. D'une manière ou d'une autre, vous devez intégrer à la théorie un moyen de générer cette diversité de masse, explique Nahn. La façon la plus simple de le faire est de poser une autre particule, qui est devenue le boson de Higgs. Ce que les photons sont à un champ électromagnétique, les bosons de Higgs sont au champ putatif de Higgs, un milieu qui entoure tout dans l'univers et interagit avec les particules élémentaires d'une manière qui leur donne une masse.

Wilczek dit que sans le boson de Higgs, nous sommes comme une race de poissons intelligents qui ne savent pas qu'ils sont immergés dans l'eau. Ces poissons auraient une meilleure chance de comprendre les lois de leur univers s'ils réalisaient que l'environnement qu'ils tenaient pour acquis était un matériau qui modifiait leur façon de se déplacer, dit Wilczek. De même, si nous supposons que ce qui nous apparaît comme un espace vide est un milieu… nous avons des équations plus agréables qu'autrement. Mais nous ne savons pas à quoi ressemble [le boson de Higgs], comme si nous n'avions pas vu de molécules d'eau.

Les physiciens admettront volontiers que pour les non-initiés, invoquer des particules hypothétiques, jamais vues pour résoudre des problèmes avec vos théories peut sembler artificiel ou même, selon les mots de Nahn, un peu fou. Mais cette approche a déjà fait ses preuves. À la fin du XIXe siècle, Dmitri Mendeleev a développé le tableau périodique et a prédit plusieurs éléments chimiques qui ont ensuite été observés, notamment le gallium et le germanium. En 1931, Paul Dirac a postulé l'existence de l'antimatière afin d'expliquer une conséquence déroutante d'une équation qu'il avait dérivée pour réconcilier notre compréhension des électrons avec la relativité. Et Wilczek du MIT a prédit le gluon, qui a été directement détecté en 1979.

Étant donné que les bosons de Higgs sont très instables, la seule façon d'en observer un est de le créer lors d'une collision à haute énergie. Et aucun accélérateur de particules précédent n'était assez puissant pour produire un nombre détectable de manière fiable de bosons de Higgs, qui devraient avoir une masse comprise entre 114 GeV et 184 GeV. Le LHC, cependant, écrasera des protons ensemble à des énergies sept fois plus élevées que celles atteintes par le plus puissant accélérateur actuellement en service. Nous devons trouver cette particule de Higgs, ou quelque chose comme ça, dans cette échelle d'énergie, dit Nahn. Les physiciens espèrent trouver le Higgs car s'ils ne le font pas, ils seront forcés de conclure que le problème de masse du modèle standard a une solution plus complexe. Mais pour beaucoup d'entre eux, y compris Nahn, c'est assez excitant de pouvoir enfin tester expérimentalement la théorie de Higgs. Le nouveau collisionneur, qui a été fermé pour réparations peu de temps après son ouverture à l'automne, devrait être remis en service au printemps 2009 ; jusque-là, Nahn et ses étudiants travaillent sur un logiciel qui surveillera le fonctionnement de l'un des détecteurs du LHC et analysera éventuellement les données qu'il génère (voir The Making of a New Collider , mai/juin 2008).

Les quatre forces sont-elles unies ?

Des théoriciens comme Wilczek tentent également de rendre le modèle standard lui-même plus beau mathématiquement et plus viable expérimentalement. Chacune des quatre forces a son propre ensemble d'équations déterminantes. Mais les équations sont déséquilibrées, dit Wilczek. Lui et d'autres croient, cependant, que les forces sont comme les quatre faces d'un dé mathématique. Ils sont discrets, mais chacun fait aussi partie d'un tout. Wilczek souligne que bien que les forces aient généralement des forces différentes, pour des particules très proches les unes des autres, elles ont la même force. Cela suggère que l'impulsion mathématique de rassembler les forces en un tout régi par une théorie de la grande unification est sur la bonne voie. L'électromagnétisme et la force faible s'emboîtent assez bien mathématiquement pour qu'on les appelle déjà souvent une force, l'électrofaible. Les équations de la force forte sont similaires à celles de l'électromagnétisme et de la force faible. Celui qui est difficile à intégrer, dit Wilczek, est la gravité.

Il peut sembler étrange que les physiciens accordent autant de foi aux prédictions des mathématiques. Cependant, dit Wilczek, je ne fais pas confiance à mes propres opinions à moins que la nature ne nous encourage. Ce n'est probablement pas un hasard si les équations sont si similaires, observe-t-il. Les forces n'avaient pas besoin de se rassembler, dit-il. Les équations n'avaient pas à ressembler à différentes faces d'un même dé.

Wilczek n'a pas encore eu la satisfaction de voir l'unification se confirmer expérimentalement : les physiciens n'en ont tout simplement pas les moyens. Il existe cependant un moyen de tester la théorie. L'ajout d'un autre lot de particules au modèle standard rend les calculs nécessaires à l'unification. Chacune de ces particules supersymétriques théoriques interagirait avec d'autres particules de la même manière qu'une des particules connues, mais serait beaucoup plus massive. Wilczek espère que les collisions à haute énergie du LHC produiront au moins une particule supersymétrique. Des théoriciens comme lui travaillent sur des questions depuis des décennies sans pouvoir les tester ; maintenant, dit-il, les expérimentateurs rattrapent leur retard.

Qu'est-ce que la matière noire ?

Gabriella Sciolla, professeur agrégé de physique au MIT, espère valider la supersymétrie grâce à des expériences sur la matière noire. Les physiciens savent, en observant les interactions gravitationnelles des galaxies et d'autres objets célestes, qu'il y a beaucoup plus de masse dans l'univers qu'ils ne peuvent en expliquer en recherchant les types identifiés par le modèle standard. Cette masse manquante est appelée matière noire car elle n'interagit pas avec les photons. Il ne peut pas être vu avec des télescopes optiques ou à rayons X. Bien sûr, je suis un peu biaisé, mais pour moi, la question ouverte la plus intéressante en physique est : Qu'est-ce que la matière noire ? dit Sciolla. Une explication simple est qu'il est composé d'une ou plusieurs des particules supersymétriques.

Dans les entrailles du bâtiment NW13, dans une pièce en parpaing sans fenêtre que son groupe de recherche appelle le donjon, Sciolla teste un nouvel appareil appelé la chambre de projection temporelle de la matière noire, essentiellement un grand réservoir de gaz en acier inoxydable flanqué de deux appareils photo numériques. . Le principe du détecteur est simple. Lorsqu'une particule de matière noire heurte un atome de gaz, l'atome recule, renversant des électrons libres qui seront détectés par les caméras. En traçant les chemins de ces électrons, Sciolla pourra voir non seulement qu'une particule a frappé, mais de quelle direction. Ce sera important pour établir que le détecteur voit réellement de la matière noire, pas autre chose. Si, comme le croient de nombreux physiciens, notre galaxie tourne à travers une région stationnaire de matière noire, alors la matière noire devrait frapper les atomes du détecteur de Sciolla comme la pluie frappant le pare-brise d'une voiture en mouvement. La direction de cette pluie devrait varier d'environ 90º toutes les 12 heures, car l'axe de rotation de la Terre est d'environ 45º par rapport à la matière noire.

Sciolla et son groupe de recherche placeront leur détecteur dans un laboratoire souterrain pour l'isoler des rayons cosmiques, une source majeure de bruit, et ils passeront 2009 à rassembler des données préliminaires pour prouver que le concept fonctionne. Dans un an, Sciolla espère disposer d'un détecteur d'un mètre cube qui sera 50 fois plus sensible ; dans cinq ans, elle espère disposer d'un détecteur de quelques centaines de mètres cubes.

Trouver des particules de matière noire serait l'équivalent pour le physicien de toucher le jackpot. Toutes ces grandes questions de physique sont en quelque sorte liées, dit Sciolla. La matière noire est la seule réponse qui satisferait tant de questions différentes sans réponse dans différents domaines de la physique. Sa détection fournirait des preuves solides de la supersymétrie.

S'il s'avère que la matière noire n'est pas constituée de particules supersymétriques mais d'axions, des particules hypothétiques que Wilczek a fait un travail important pour décrire, cette découverte pourrait soulever une autre question énorme. Les axions figurent en bonne place dans une théorie ésotérique qui explique pourquoi la matière, par opposition à l'antimatière, prévaut dans l'univers, même si le Big Bang a produit toutes les particules et leurs antiparticules en nombre égal.

Qu'est-ce que l'énergie noire ?

Même si la matière noire est détectée et sa nature révélée, un autre phénomène curieux que les physiciens ont appelé énergie noire soulève de nombreuses autres questions. Les galaxies sont séparées par une force répulsive, explique Edmund Bertschinger, chef du département de physique. Les mesures de la dernière décennie nous disent que quelque chose qui ressemble beaucoup à la répulsion gravitationnelle a envahi l'univers. C'est-à-dire que l'univers s'étend à un rythme accéléré, mais les physiciens ne savent pas pourquoi. Est-ce à cause de l'énergie noire ? Ou l'énergie noire n'est-elle qu'un concept qui corrige une incompréhension des lois de la physique ?

Malgré la similitude de leurs noms, l'énergie noire n'a probablement aucun lien avec la matière noire et constitue un mystère beaucoup plus grand. Il existe des explications plausibles de la matière noire, dit Bertschinger. Nous n'avons pas de modèles plausibles d'énergie noire qui aient un sens dans le contexte de la physique des hautes énergies. Les travaux effectués par Bertschinger et bien d'autres ont montré que les tests pour distinguer l'énergie noire d'une forme modifiée de gravité seront très difficiles à développer. Cependant, Bertschinger fait un travail théorique qui, espère-t-il, mènera à de tels tests au cours de la prochaine décennie.

C'est un grand moment en physique, dit Sciolla. Tout aura une réponse dans les prochaines années, nous l'espérons. Et maintenant quoi? Eh bien, alors elle et ses collègues pourraient être sans emploi, plaisante Sciolla. Mais, ajoute-t-elle, je suis sûre qu'il y aura plein de nouvelles questions qui resteront sans réponse.

cacher