Parfois, la machine chargée de faciliter les découvertes vertigineuses a besoin d'un petit temps d'arrêt. Ici, un préposé à la maintenance inspecte le tunnel du LHC le 19 novembre 2013. Vladimir Simicek/isifa/Getty Images A l'heure, ce sont les petites choses qui vous rendent fou. Au début du 20e siècle, les physiciens semblaient avoir l'univers assez bien cousu, entre la gravité newtonienne et les équations électromagnétiques de Maxwell. Il n'y avait qu'un problème lancinant :comment expliquer la radioactivité. L'aborder a déclenché une révolution scientifique qui a révélé l'étonnante vérité sur les petites choses :parfois, elles contiennent des univers.
Physique des particules et mécanique quantique, les sciences du vraiment minuscule, apporta à la physique deux forces fondamentales supplémentaires et une ménagerie de particules élémentaires étranges, mais après les années 1970, il ne restait plus qu'à tester et affiner la théorie dominante, les modèle standard . Encore 30 ans de taches subatomiques produites par des accélérateurs et des collisionneurs ont rempli des clés vierges, pourtant, de nombreuses questions demeuraient :pourquoi certaines particules avaient-elles une masse alors que d'autres n'en avaient pas ? Pourrait-on unifier les quatre forces fondamentales ou faire cohabiter relativité générale et mécanique quantique ?
L'un de ces fils pendants déclencherait-il une autre révolution ? Le découvrir prendrait plus de temps, plus puissant collisionneur de particules que jamais auparavant, un anneau d'aimants supraconducteurs de 27 kilomètres plus froid que l'espace, capable de claquer des particules ensemble à une vitesse proche de la lumière dans un ultravide. Le 10 septembre, 2008, ce grand collisionneur de hadrons (LHC) de 10 milliards de dollars, l'effort de collaboration de centaines de scientifiques et d'ingénieurs dans le monde, a rejoint le campus des accélérateurs de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) et a rapidement battu des records de collision de particules.
Regardons en arrière ce que nous avons appris jusqu'à présent, à commencer par la découverte la plus célèbre de toutes.
Contenu
Le professeur Peter Higgs visite l'exposition "Collider" du London Science Museum le 12 novembre 2013. Je pense qu'il est sûr de dire que Higgs et ses collègues n'avaient pas tout à fait prévu le hoopla du boson de Higgs. Peter Macdiarmid/Getty Images Dans notre monde macro, nous supposons que toutes les particules ont une masse, pourtant petit. Mais dans le micro monde, théorie électrofaible , qui lie les forces électromagnétiques et faibles en une seule force sous-jacente, prédit que des particules spéciales appelées médiateurs ne devrait pas avoir de masse du tout ; ce qui est un problème, parce que certains d'entre eux le font.
Les médiateurs sont des porteurs de force : photons transmettre l'électromagnétisme, tandis que bosons W et Z porter une force faible. Mais alors que les photons sont sans masse, Les bosons W et Z ont un poids substantiel, de l'ordre de 100 protons chacun [source :CERN].
En 1964, Le physicien Peter Higgs de l'Université d'Édimbourg et l'équipe de François Englert et Robert Brout de l'Université libre de Bruxelles ont indépendamment proposé une solution :un champ inhabituel qui transmettait la masse en fonction de la force avec laquelle les particules interagissaient avec elle. Si ce Champ de Higgs existait, alors il devrait avoir une particule médiatrice, une le boson de Higgs . Mais il faudrait une installation comme le LHC pour le détecter.
En 2013, les physiciens ont confirmé qu'ils avaient trouvé un boson de Higgs avec une masse d'environ 126 giga-électron-volts (GeV) - la masse totale d'environ 126 protons (l'équivalence masse-énergie permet aux physiciens d'utiliser les électrons-volts comme unité de masse) [sources :Das]. Loin de fermer les livres, cela a ouvert de nouveaux domaines de recherche sur la stabilité de l'univers, pourquoi il semble contenir tellement plus de matière que d'antimatière, et la composition et l'abondance de la matière noire [sources :Siegfried].
Il détecte les quarks ! Le regretté physicien théoricien Nathan Isgur présente un modèle d'une partie d'une machine permettant d'observer le comportement des quarks. Le prix à payer (en 1981) était de 83 millions de dollars. Ron Bull/Toronto Star via Getty Images En 1964, deux chercheurs ont du mal à comprendre hadrons -- les particules subatomiques affectées par la force forte -- ont individuellement proposé l'idée qu'elles étaient composées d'une particule constitutive de trois types. George Zweig les a appelés des as; Murray Gell-Mann les a surnommés quarks et étiqueté leurs trois types, ou des saveurs, en haut, " " bas " et " étrange ". Les physiciens identifieront plus tard trois autres saveurs de quarks :" charme, " "haut et bas."
Pendant de nombreuses années, les physiciens ont divisé les hadrons en deux catégories en fonction des deux façons dont les quarks les ont fabriqués : baryons (y compris les protons et les neutrons) étaient composés de trois quarks, tandis que mésons (comme les pions et les kaons) ont été formés par des paires quark-antiquark [sources :CERN; SACO]. Mais étaient-ce les seules combinaisons possibles ?
En 2003, des chercheurs au Japon ont trouvé une particule étrange, X(3872) , qui semblait être fait d'un quark charmé, un anticharme et au moins deux autres quarks. Tout en explorant l'existence possible de la particule, les chercheurs ont trouvé Z(4430) , une particule apparente de quatre quarks. Le LHC a depuis découvert des preuves de plusieurs de ces particules, qui brisent - ou du moins plient substantiellement - le modèle établi pour les arrangements de quarks. De telles particules Z sont éphémères, mais peut avoir prospéré pendant environ une microseconde après le Big Bang [sources :O'Luanaigh; Diep; Accorder].
Un travailleur se tient sous le solénoïde compact à muons (CMS), un détecteur polyvalent au LHC. Certains physiciens avaient de grands espoirs que le détecteur découvrirait des preuves pour renforcer SUSY. Fabrice Coffrini/AFP/Getty Images Théoriciens avancés supersymétrie , surnommé SUSY , pour faire face à plusieurs problèmes lancinants que le modèle standard a laissés sans réponse, comme pourquoi certaines particules élémentaires ont une masse, comment l'électromagnétisme et les forces nucléaires fortes et faibles auraient pu autrefois se lier et, peut-être, de quoi est faite la matière noire. Il a également établi une relation alléchante entre les quarks et leptons qui composent la matière et le bosons qui médiatisent leurs interactions. Comme les baryons mentionnés plus haut, les leptons (comme les électrons) appartiennent à un groupe de particules subatomiques appelées fermions qui ont des propriétés quantiques opposées aux bosons. Encore, selon SUSY, chaque fermion a un boson correspondant, et vice versa, et chaque particule peut se transformer en son homologue [sources :CERN; Siegried].
Si vrai, SUSY signifierait que les deux types de particules élémentaires (fermions et bosons) ne sont que les deux faces d'une même pièce; il supprimerait certaines quantités infinies galopantes qui surgissent dans les mathématiques en laissant s'annuler les particules correspondantes; et cela ferait de la place à la gravité -- une omission flagrante dans le modèle standard -- parce que les conversions fermion-boson et boson-fermion pourraient impliquer gravitons , les porteurs de force de gravité longtemps théorisés.
Les physiciens espéraient que le LHC trouverait des preuves pour soutenir SUSY ou révélerait des problèmes plus profonds qui pointeraient vers un nouveau territoire théorique et expérimental. Jusque là, ni l'un ni l'autre ne semble s'être produit, mais ne comptez pas encore la supersymétrie. SUSY existe en plusieurs versions, chacun lié à des hypothèses particulières; le LHC n'a fait que passer au crible certaines des variétés les plus élégantes et les plus probables.
La soupe du jour au CERN est un copieux plasma de quarks et de gluons. Wavebreakmedia Ltd/Wavebreak Media/Thinkstock Lorsque les scientifiques calibrant les instruments du LHC ont ignoré les collisions proton-proton habituelles et ont plutôt choisi d'enfoncer des protons dans des noyaux de plomb, ils ont noté un phénomène surprenant :les chemins aléatoires que les éclats subatomiques résultants prenaient habituellement avaient été remplacés par une apparente coordination.
Une théorie avancée pour expliquer le phénomène dit que l'impact a créé un état exotique de la matière appelé plasma quark-gluon (QGP) , qui coulait comme un liquide et produisait des particules coordonnées en refroidissant. Les laboratoires nationaux de Brookhaven et le LHC ont déjà créé le QGP - la forme de matière la plus dense en dehors d'un trou noir - en entrant en collision avec des ions lourds comme le plomb et l'or. Si le QGP d'une collision proton-plomb s'avère possible, cela pourrait affecter de manière significative la façon dont les scientifiques perçoivent les conditions immédiatement après le Big Bang, quand QGP a connu son apogée. Il y a juste un problème :la collision n'aurait pas dû avoir assez d'énergie pour produire la soupe de quarks hypothétique [sources :CERN; Accorder; Roland et Nguyen; Que].
Bien que la plupart des physiciens soient favorables à cette idée malgré ses problèmes, certains ont plaidé pour une seconde explication impliquant un champ théorique créé par gluons , les particules qui médient la force forte et collent les quarks et les antiquarks en protons et neutrons. L'hypothèse dit que les gluons se déplaçant à une vitesse proche de la lumière forment des champs qui les font interagir. Si c'est correct, ce modèle pourrait fournir des informations précieuses sur la structure et l'interaction des protons [sources :Grant].
Six cent millions de collisions de particules par seconde peuvent générer beaucoup de données et, par conséquent, une analyse. Il est probablement sûr de dire que les données du LHC réserveront bien d'autres surprises. Fabrice Coffrini/AFP/Getty Images Aussi illogique que cela puisse paraître, de nombreux physiciens espéraient que le LHC percerait quelques trous dans le modèle standard. Le cadre a des problèmes, après tout, et peut-être qu'une ou deux découvertes bouleversantes confirmeraient la supersymétrie, ou au moins pointer vers de nouvelles voies de recherche. Comme nous l'avons mentionné, bien que, le LHC a porté des coups répétés à la physique exotique tout en reconfirmant le modèle standard à chaque tournant. Accordé, les résultats ne sont pas tous dedans (il y a énormément de données à analyser), et le LHC n'a pas encore atteint sa pleine énergie de 14 téra-électron-volts (TeV). Néanmoins, les chances ne semblent pas bonnes pour rendre le modèle standard mauvais.
Ou peut-être qu'ils le font, si un rapport de 2013 sur la désintégration du méson B est une indication. Il montre des mésons B se désintégrant en un méson K (alias un kaon) et deux muons (particules similaires aux électrons), qui ne ferait pas sourciller, sauf que la décroissance a suivi un modèle non prédit par le modèle standard. Malheureusement, l'étude tombe actuellement en dessous du seuil de danse dans nos blouses de laboratoire. Toujours, c'est assez haut pour faire naître des espoirs, et l'analyse de données supplémentaires pourrait le faire passer de la zone rouge à la zone de fin. Si c'est le cas, l'étrange modèle de désintégration pourrait offrir le premier aperçu de la nouvelle physique que beaucoup recherchent [sources :Johnston; O'Neill].
Après l'achèvement du LHC, certains se sont demandé ce que cela signifierait pour la physique si le boson de Higgs ne se présentait pas. Ce n'était pas seulement la principale raison d'être de l'énorme briseur d'atomes; c'était une sorte de pivot pour le modèle standard.
Maintenant, il y a un plus gros problème, et il implique les mesures de rayonnement de fond cosmique effectuées par la deuxième génération de l'imagerie de fond de la polarisation extragalactique cosmique (BICEP2). Si les observations du BICEP2 s'avèrent exactes, alors le champ de Higgs aurait dû être suffisamment énergétique pendant le Big Bang pour provoquer un Big Crunch immédiat. En d'autres termes, si les deux idées sont vraies, alors nous ne devrions pas être ici pour discuter de pourquoi ils ne peuvent pas être vrais tous les deux.
