Les scientifiques de l'Université Rutgers-Nouveau-Brunswick et d'ailleurs sont à la croisée des chemins dans leur quête de 50 ans pour aller au-delà du modèle standard en physique.

Rutgers Today a demandé aux professeurs Sunil Somalwar et Scott Thomas du département de physique et d'astronomie de la School of Arts and Sciences de discuter des mystères de l'univers. Les recherches de Somalwar portent sur la physique expérimentale des particules élémentaires, ou physique des hautes énergies, qui consiste à écraser des particules ensemble dans de grands accélérateurs de particules tels que celui du CERN en Suisse. Les recherches de Thomas portent sur la physique théorique des particules.

Le binôme, qui collaborent à des expériences, et d'autres physiciens de Rutgers - dont Yuri Gershtein - ont contribué à la découverte historique du boson de Higgs en 2012, une particule subatomique responsable de la structure de toute matière et un élément clé du modèle standard.

Rutgers Today : Qu'est-ce que le modèle standard ?

Thomas :C'est une théorie commencée il y a environ 50 ans. On devrait l'appeler "la théorie la plus fantastiquement réussie de tout jamais" parce que c'est un triomphe de l'intellect humain. Il explique, dans une structure théorique et dans un grand détail quantitatif, chaque expérience jamais réalisée en laboratoire. Et aucune expérience jusqu'à présent n'est en conflit avec cette théorie. La pierre angulaire du modèle standard a été expérimentalement la découverte du boson de Higgs. Il a prédit l'existence et les interactions de beaucoup de particules différentes, qui ont tous été trouvés. Le problème est qu'en tant que théoriciens, nous sommes victimes de notre propre succès. Le modèle standard connaît un tel succès que la théorie n'indique pas de réponses à certaines des questions que nous nous posons encore. Le boson de Higgs a répondu à de nombreuses questions, mais nous n'obtenons pas d'indices directement de cette structure théorique sur la façon dont les questions restantes pourraient être répondues, nous sommes donc à la croisée des chemins dans cette quête de 50 ans. Nous avons besoin de quelques conseils d'expériences et ensuite, avec un peu de chance, les indices seront suffisants pour nous indiquer la prochaine structure théorique qui sous-tend le modèle standard.

Rutgers Today : Quelles questions restent-elles ?

Somalwar :Le modèle standard dit que la matière et l'antimatière devraient être presque égales. Mais après le Big Bang il y a environ 13,8 milliards d'années, la matière s'élevait à une partie sur 10 milliards et l'antimatière est tombée à pratiquement zéro. Un grand mystère est ce qui est arrivé à toute l'antimatière. Et pourquoi les neutrinos (également les particules subatomiques) sont-ils si légers ? La particule du boson de Higgs est-elle seule ou existe-t-il un zoo de Higgs ? Il y a de bonnes raisons pour lesquelles le boson de Higgs ne pourrait pas être seul. Il doit y avoir plus à l'image.

Rutgers Today : sur quoi vous concentrez-vous ?

Somalwar :Je recherche des preuves de particules lourdes qui auraient pu exister une picoseconde après le Big Bang. Ces particules n'existent plus car elles dégénèrent. Ils sont très instables. Ils pourraient expliquer pourquoi les neutrinos sont si légers et pourquoi pratiquement toute l'antimatière a disparu mais pas toute la matière a disparu. Ce que nous faisons s'appelle la science de la frontière – c'est à la pointe de la physique :les plus petites distances et les plus hautes énergies. Une fois arrivé à la frontière, vous occupez une grande partie de la zone et commencez à prospecter. Mais à un moment donné, les choses sont épuisées et vous avez besoin d'une nouvelle frontière. Nous venons de commencer la prospection ici. Nous n'avons pas assez de zones minées et il se peut que nous ayons des pierres précieuses qui s'y trouvent et d'autres viendront dans l'année ou les deux prochaines. Donc, c'est une période très excitante en ce moment parce que c'est comme si nous étions arrivés à la ruée vers l'or.

Thomas :J'essaie de comprendre la physique sous-jacente au secteur de Higgs de la théorie du modèle standard, qui doit comprendre au moins une particule – le boson de Higgs. Ce secteur est très important car il détermine la taille des atomes et la masse des particules élémentaires. La physique sous-jacente au secteur de Higgs est un obstacle à la compréhension de la physique à une échelle plus fondamentale. Existe-t-il d'autres espèces de particules de Higgs ? Quelles sont leurs interactions et quelles propriétés ont-ils ? Cela commencerait à nous donner des indices et alors peut-être que nous pourrions reconstruire une théorie de ce qui sous-tend le modèle standard. La vraie motivation est de comprendre le fonctionnement de l'univers à son niveau le plus fondamental. C'est ce qui nous anime tous.