Particules et bosons d'interaction du modèle standard. Crédit : Groupe de données sur les particules
L'univers est régi par quatre forces fondamentales :la gravité, l'électromagnétisme et les forces nucléaires fortes et faibles. Ces forces déterminent le mouvement et le comportement de tout ce que nous voyons autour de nous. Au moins, c'est ce que nous pensons. Mais depuis quelques années, il y a eu de plus en plus de preuves d'une cinquième force fondamentale. De nouvelles recherches n'ont pas découvert cette cinquième force, mais cela montre que nous ne comprenons toujours pas pleinement ces forces cosmiques.
Les forces fondamentales font partie du modèle standard de la physique des particules. Ce modèle décrit toutes les particules quantiques, y compris les électrons, protons, antimatière et autres. Quarks, les neutrinos et le boson de Higgs font tous partie du modèle.
Le terme "force" dans le modèle est un peu abusif. Dans le modèle standard, chaque force est le résultat d'un type de boson porteur. Les photons sont le boson porteur de l'électromagnétisme. Les gluons sont les bosons porteurs de l'interaction forte, et les bosons connus sous le nom de W et Z sont pour l'interaction faible. La gravité ne fait pas techniquement partie du modèle standard, mais on suppose que la gravité quantique a un boson connu sous le nom de graviton. Nous ne comprenons toujours pas complètement la gravité quantique, mais une idée est que la gravité peut être unie au modèle standard pour produire une grande théorie unifiée (GUT).
Chaque particule que nous ayons jamais découverte fait partie du modèle standard. Le comportement de ces particules correspond au modèle de manière extrêmement précise. Les scientifiques ont recherché des particules au-delà du modèle standard, mais si loin, ils n'en ont jamais trouvé. Le modèle standard est un triomphe de la compréhension scientifique. C'est le summum de la physique quantique.
Mais nous avons commencé à apprendre qu'il a de sérieux problèmes.
Les observations de galaxies montrent la répartition de la matière noire. Crédit :Rayons X :NASA/CXC/Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suisse/D.Harvey &NASA/CXC/Durham Univ/R.Massey; Carte optique et optique :NASA, ESA, D. Harvey (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suisse) et R. Massey (Université de Durham, ROYAUME-UNI)
Pour commencer, nous savons maintenant que le modèle standard ne peut pas se combiner avec la gravité comme nous le pensions. Dans le modèle standard, les forces fondamentales "s'unifient" à des niveaux d'énergie plus élevés. L'électromagnétisme et le faible se combinent dans l'électrofaible, et l'électrofaible s'unit au fort pour devenir la force électronucléaire. A des énergies extrêmement élevées, les forces électronucléaires et gravitationnelles devraient s'unifier. Des expériences en physique des particules ont montré que les énergies d'unification ne correspondent pas.
Plus problématique est la question de la matière noire. La matière noire a été proposée pour la première fois pour expliquer pourquoi les étoiles et le gaz à la périphérie d'une galaxie se déplacent plus rapidement que ne le prédit la gravité. Soit notre théorie de la gravité est en quelque sorte fausse, ou il doit y avoir une masse invisible (sombre) dans les galaxies. Au cours des 50 dernières années, les preuves de la matière noire sont devenues vraiment solides. Nous avons observé comment la matière noire regroupe les galaxies ensemble, comment il est distribué dans des galaxies particulières, et comment il se comporte. Nous savons qu'elle n'interagit pas fortement avec la matière ordinaire ou elle-même, et il constitue la majorité de la masse dans la plupart des galaxies.
Mais il n'y a aucune particule dans le modèle standard qui pourrait constituer de la matière noire. Il est possible que la matière noire soit constituée de quelque chose comme de petits trous noirs, mais les données astronomiques ne soutiennent pas vraiment cette idée. La matière noire est très probablement constituée d'une particule encore inconnue, celui que le modèle standard ne prédit pas.
Ensuite, il y a l'énergie noire. Des observations détaillées de galaxies lointaines montrent que l'univers s'étend à un rythme toujours croissant. Il semble y avoir une sorte d'énergie à l'origine de ce processus, et nous ne comprenons pas comment. Il se pourrait que cette accélération soit le résultat de la structure de l'espace et du temps, une sorte de constante cosmologique qui provoque l'expansion de l'univers. Il se pourrait que cela soit motivé par une nouvelle force encore à découvrir. Quelle que soit l'énergie noire, il représente plus des deux tiers de l'univers.
Tout cela montre que le modèle standard est, au mieux, incomplet. Il y a des choses qui nous manquent fondamentalement dans le fonctionnement de l'univers. Beaucoup d'idées ont été proposées pour corriger le modèle standard, de la supersymétrie aux quarks encore inconnus, mais une idée est qu'il existe une cinquième force fondamentale. Cette force aurait son ou ses propres boson(s) porteurs ainsi que de nouvelles particules au-delà de celles que nous avons découvertes.
Nous ne comprenons pas la plupart de l'univers. Crédit :Observatoire de rayons X Chandra
Cette cinquième force interagirait également avec les particules que nous avons observées de manière subtile qui contredit le modèle standard. Cela nous amène à un nouvel article prétendant avoir la preuve d'une telle interaction.
L'article examine une anomalie dans la désintégration des noyaux d'hélium-4, et il s'appuie sur une étude antérieure des désintégrations du béryllium-8. Le béryllium-8 a un noyau instable qui se désintègre en deux noyaux d'hélium-4. En 2016, l'équipe a découvert que la désintégration du béryllium-8 semble violer légèrement le modèle standard. Lorsque les noyaux sont dans un état excité, il peut émettre une paire électron-positon lors de sa désintégration. Le nombre de paires observées à des angles plus grands est plus élevé que ne le prédit le modèle standard, et est connue sous le nom d'anomalie Atomki.
Il y a beaucoup d'explications possibles pour l'anomalie, y compris l'erreur d'expérience, mais une explication est que cela est causé par le boson de l'équipe nommée X17. Ce serait le boson porteur d'une cinquième force fondamentale (encore inconnue), avec une masse de 17 MeV. Dans le nouveau journal, l'équipe a trouvé un écart similaire dans la désintégration de l'hélium-4. La particule X17 pourrait également expliquer cette anomalie.
Bien que cela semble excitant, il y a lieu d'être prudent. Quand vous regardez les détails du nouveau papier, il y a un peu de peaufinage de données étrange. Essentiellement, l'équipe suppose que X17 est précis et montre que les données peuvent être adaptées à leur modèle. Montrer qu'un modèle peut expliquer les anomalies n'est pas la même chose que prouver que votre modèle explique les anomalies. D'autres explications sont possibles. Si X17 existe, nous aurions également dû le voir dans d'autres expériences sur les particules, et nous ne l'avons pas fait. Les preuves de cette « cinquième force » sont encore faibles.
La cinquième force pourrait exister, mais nous ne l'avons pas encore trouvé. Ce que nous savons, c'est que le modèle standard ne correspond pas entièrement, et cela signifie que des découvertes très intéressantes attendent d'être trouvées.
