Le modèle standard. Quel nom ennuyeux pour la théorie scientifique la plus précise connue des êtres humains.

Plus d'un quart des prix Nobel de physique du siècle dernier sont des contributions directes ou des résultats directs du modèle standard. Pourtant, son nom suggère que si vous pouvez vous permettre quelques dollars supplémentaires par mois, vous devriez acheter la mise à niveau. En tant que physicien théoricien, Je préférerais la théorie absolument incroyable de presque tout. C'est ce qu'est vraiment le modèle standard.

Beaucoup se souviennent de l'enthousiasme des scientifiques et des médias à propos de la découverte en 2012 du boson de Higgs. Mais cet événement très médiatisé n'est pas venu à l'improviste – il a couronné une séquence de cinq décennies sans défaite pour le modèle standard. Toutes les forces fondamentales sauf la gravité y sont incluses. Toutes les tentatives pour le renverser pour démontrer en laboratoire qu'il doit être retravaillé en profondeur – et il y en a eu beaucoup au cours des 50 dernières années – ont échoué.

En bref, le Modèle Standard répond à cette question :De quoi est fait tout, et comment ça tient ensemble ?

Les plus petits blocs de construction

Tu sais, bien sûr, que le monde qui nous entoure est fait de molécules, et les molécules sont faites d'atomes. Le chimiste Dmitri Mendeleev a compris cela dans les années 1860 et a organisé tous les atomes - c'est-à-dire, les éléments - dans le tableau périodique que vous avez probablement étudié au collège. Mais il existe 118 éléments chimiques différents. Il y a de l'antimoine, arsenic, aluminium, sélénium… et 114 autres.

Les physiciens aiment les choses simples. Nous voulons réduire les choses à leur essence, quelques blocs de construction de base. Plus d'une centaine d'éléments chimiques n'est pas simple. Les anciens croyaient que tout n'est fait que de cinq éléments - la terre, l'eau, Feu, air et éther. Cinq est beaucoup plus simple que 118. C'est aussi faux.

En 1932, les scientifiques savaient que tous ces atomes sont constitués de seulement trois particules - les neutrons, protons et électrons. Les neutrons et les protons sont étroitement liés dans le noyau. Les électrons, des milliers de fois plus léger, tourbillonner autour du noyau à des vitesses approchant celle de la lumière. Physiciens Planck, Bohr, Schroedinger, Heisenberg et ses amis avaient inventé une nouvelle science – la mécanique quantique – pour expliquer ce mouvement.

Cela aurait été un endroit satisfaisant pour s'arrêter. Seulement trois particules. Trois est encore plus simple que cinq. Mais tenus ensemble comment ? Les électrons chargés négativement et les protons chargés positivement sont liés ensemble par l'électromagnétisme. Mais les protons sont tous regroupés dans le noyau et leurs charges positives devraient les séparer puissamment. Les neutrons neutres n'y peuvent rien.

Qu'est-ce qui lie ces protons et ces neutrons entre eux ? « Intervention divine » m'a dit un homme au coin d'une rue de Toronto; il avait une brochure, J'ai pu tout lire à ce sujet. Mais ce scénario semblait être beaucoup de problèmes, même pour un être divin – garder un œil sur chacun des protons et neutrons de 10⁸⁰ de l'univers et les plier à sa volonté.

Agrandir le zoo des particules

Pendant ce temps, la nature a cruellement refusé de garder son zoo de particules à seulement trois. Vraiment quatre, car il faut compter le photon, la particule de lumière décrite par Einstein. Quatre sont passés à cinq lorsque Anderson a mesuré des électrons avec une charge positive - des positons - frappant la Terre depuis l'espace. Au moins Dirac avait prédit ces premières particules d'antimatière. Cinq est devenu six quand le pion, que Yukawa avait prédit qu'il maintiendrait le noyau ensemble, a été trouvé.

Puis vint le muon – 200 fois plus lourd que l'électron, mais sinon un jumeau. « Qui a commandé ça ? » I.I. Rabi a plaisanté. Cela résume. Numéro sept. Non seulement pas simple, redondant.

Dans les années 1960, il y avait des centaines de particules « fondamentales ». A la place du tableau périodique bien organisé, il n'y avait que de longues listes de baryons (particules lourdes comme les protons et les neutrons), mésons (comme les pions de Yukawa) et leptons (particules légères comme l'électron, et les neutrinos insaisissables) – sans organisation ni principes directeurs.

Dans cette brèche s'est glissé le modèle standard. Ce n'était pas un éclair d'éclat du jour au lendemain. Aucun Archimède n'a sauté d'une baignoire en criant « eurêka ». Au lieu, il y avait une série d'idées cruciales par quelques personnes clés au milieu des années 1960 qui ont transformé ce bourbier en une théorie simple, puis cinq décennies de vérification expérimentale et d'élaboration théorique.

Quarks. Ils se déclinent en six variétés que nous appelons saveurs. Comme la crème glacée, sauf pas aussi savoureux. Au lieu de vanille, chocolat et ainsi de suite, nous avons levé, vers le bas, étrange, charme, en bas et en haut. En 1964, Gell-Mann et Zweig nous ont appris les recettes :mélangez et associez trois quarks pour obtenir un baryon. Les protons sont deux quarks up et un quark down liés ensemble; les neutrons sont deux bas et un haut. Choisissez un quark et un antiquark pour obtenir un méson. Un pion est un quark up ou down lié à un anti-up ou un anti-down. Tout le matériel de notre vie quotidienne n'est composé que de quarks haut et bas, d'anti-quarks et d'électrons.

Simple. Bien, simple-ish, car garder ces quarks liés est un exploit. Ils sont si étroitement liés les uns aux autres que vous ne trouverez jamais un quark ou un anti-quark seul. La théorie de cette liaison, et les particules appelées gluons (petit rire) qui en sont responsables, est appelée chromodynamique quantique. C'est un élément essentiel du modèle standard, mais mathématiquement difficile, posant même un problème non résolu de mathématiques de base. Nous, physiciens, faisons de notre mieux pour calculer avec, mais nous apprenons encore comment.

L'autre aspect du modèle standard est « Un modèle de leptons ». C'est le nom de l'article historique de 1967 de Steven Weinberg qui rassemblait la mécanique quantique et les connaissances essentielles sur la façon dont les particules interagissent et organisait les deux en une seule théorie. Il a incorporé l'électromagnétisme familier, l'a joint à ce que les physiciens ont appelé « la force faible » qui provoque certaines désintégrations radioactives, et a expliqué qu'ils étaient différents aspects de la même force. Il incorporait le mécanisme de Higgs pour donner de la masse aux particules fondamentales.

Depuis, le modèle standard a prédit les résultats d'expérience après expérience, dont la découverte de plusieurs variétés de quarks et des bosons W et Z, particules lourdes qui sont pour les interactions faibles ce que le photon est pour l'électromagnétisme. La possibilité que les neutrinos ne soient pas sans masse a été négligée dans les années 1960, mais s'est facilement glissé dans le Modèle Standard dans les années 1990, quelques décennies de retard à la fête.

Découverte du boson de Higgs en 2012, longtemps prédit par le Modèle Standard et longtemps recherché, était un frisson mais pas une surprise. Ce fut encore une autre victoire cruciale pour le modèle standard sur les forces obscures que les physiciens des particules ont averti à plusieurs reprises se profilaient à l'horizon. Préoccupé par le fait que le modèle standard n'incarne pas adéquatement leurs attentes de simplicité, inquiet de son auto-cohérence mathématique, ou en prévision de la nécessité éventuelle d'introduire la force de gravité dans le pli, les physiciens ont fait de nombreuses propositions de théories au-delà du modèle standard. Celles-ci portent des noms passionnants comme les théories grand unifiées, Supersymétrie, Technicolor, et la théorie des cordes.

Malheureusement, au moins pour leurs partisans, Les théories au-delà du modèle standard n'ont pas encore prédit avec succès un nouveau phénomène expérimental ou une divergence expérimentale avec le modèle standard.

Après cinq décennies, loin de nécessiter une mise à niveau, le modèle standard mérite d'être célébré en tant que théorie absolument incroyable de presque tout.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.