Si vous demandez à un physicien comme moi d'expliquer comment le monde fonctionne, ma réponse paresseuse pourrait être :« Il suit le modèle standard.

Le modèle standard explique la physique fondamentale du fonctionnement de l'univers. Il a enduré plus de 50 voyages autour du Soleil malgré le fait que les physiciens expérimentaux sondent constamment des fissures dans les fondations du modèle.

À quelques exceptions près, il a résisté à cet examen minutieux, passant test expérimental après test expérimental avec brio. Mais ce modèle extrêmement réussi présente des lacunes conceptuelles qui suggèrent qu'il y a un peu plus à apprendre sur le fonctionnement de l'univers.

Je suis un physicien des neutrinos. Les neutrinos représentent trois des 17 particules fondamentales du modèle standard. Ils traversent chaque personne sur Terre à tout moment de la journée. J'étudie les propriétés des interactions entre les neutrinos et les particules normales de matière.

En 2021, des physiciens du monde entier ont mené un certain nombre d'expériences qui ont sondé le modèle standard. Les équipes ont mesuré les paramètres de base du modèle plus précisément que jamais auparavant. D'autres ont étudié les franges de la connaissance où les meilleures mesures expérimentales ne correspondent pas tout à fait aux prédictions faites par le modèle standard. Et enfin, des groupes ont construit des technologies plus puissantes conçues pour pousser le modèle à ses limites et potentiellement découvrir de nouvelles particules et de nouveaux champs. Si ces efforts aboutissent, ils pourraient conduire à une théorie plus complète de l'univers à l'avenir.

Remplissage des trous dans le modèle standard

En 1897, J. J. Thomson a découvert la première particule fondamentale, l'électron, en utilisant rien de plus que des tubes et des fils à vide en verre. Plus de 100 ans plus tard, les physiciens découvrent encore de nouvelles pièces du modèle standard.

Le modèle standard est un cadre prédictif qui fait deux choses. Tout d'abord, il explique ce que sont les particules de base de la matière. Ce sont des choses comme les électrons et les quarks qui composent les protons et les neutrons. Deuxièmement, il prédit comment ces particules de matière interagissent les unes avec les autres à l'aide de "particules messagères". Ceux-ci sont appelés bosons – ils comprennent les photons et le fameux boson de Higgs – et ils communiquent les forces fondamentales de la nature. Le boson de Higgs n'a été découvert qu'en 2012 après des décennies de travail au CERN, l'énorme collisionneur de particules en Europe.

Le modèle standard est incroyablement bon pour prédire de nombreux aspects du fonctionnement du monde, mais il a quelques lacunes.

Notamment, il ne comprend aucune description de la gravité. Alors que la théorie de la relativité générale d'Einstein décrit le fonctionnement de la gravité, les physiciens n'ont pas encore découvert de particule qui véhicule la force de gravité. Une "théorie du tout" appropriée ferait tout ce que le modèle standard peut faire, mais inclurait également les particules messagères qui communiquent comment la gravité interagit avec d'autres particules.

Une autre chose que le modèle standard ne peut pas faire est d'expliquer pourquoi une particule a une certaine masse - les physiciens doivent mesurer la masse des particules directement à l'aide d'expériences. Ce n'est qu'après que les expériences ont donné aux physiciens ces masses exactes qu'elles peuvent être utilisées pour des prédictions. Meilleures sont les mesures, meilleures sont les prédictions qui peuvent être faites.

Récemment, des physiciens d'une équipe du CERN ont mesuré la force ressentie par le boson de Higgs. Une autre équipe du CERN a également mesuré la masse du boson de Higgs avec plus de précision que jamais. Et enfin, il y a eu aussi des progrès sur la mesure de la masse des neutrinos. Les physiciens savent que les neutrinos ont une masse supérieure à zéro mais inférieure à la quantité actuellement détectable. Une équipe en Allemagne a continué à affiner les techniques qui pourraient leur permettre de mesurer directement la masse des neutrinos.

Indices de nouvelles forces ou particules

En avril 2021, les membres de l'expérience Muon g-2 au Fermilab ont annoncé leur première mesure du moment magnétique du muon. Le muon est l'une des particules fondamentales du modèle standard, et cette mesure d'une de ses propriétés est la plus précise à ce jour. La raison pour laquelle cette expérience était importante était que la mesure ne correspondait pas parfaitement à la prédiction du modèle standard du moment magnétique. Fondamentalement, les muons ne se comportent pas comme ils le devraient. Cette découverte pourrait indiquer des particules non découvertes qui interagissent avec les muons.

Mais simultanément, en avril 2021, le physicien Zoltan Fodor et ses collègues ont montré comment ils utilisaient une méthode mathématique appelée Lattice QCD pour calculer précisément le moment magnétique du muon. Leur prédiction théorique est différente des anciennes prédictions, fonctionne toujours dans le modèle standard et, surtout, correspond aux mesures expérimentales du muon.

Le désaccord entre les prédictions précédemment acceptées, ce nouveau résultat et la nouvelle prédiction doit être réconcilié avant que les physiciens ne sachent si le résultat expérimental est vraiment au-delà du modèle standard.

Améliorer les outils de la physique

Les physiciens doivent osciller entre l'élaboration d'idées hallucinantes sur la réalité qui composent les théories et l'avancement des technologies au point où de nouvelles expériences peuvent tester ces théories. 2021 a été une grande année pour faire progresser les outils expérimentaux de la physique.

Tout d'abord, le plus grand accélérateur de particules au monde, le Grand collisionneur de hadrons du CERN, a été arrêté et a subi d'importantes améliorations. Les physiciens viennent de redémarrer l'installation en octobre et ils prévoient de commencer la prochaine collecte de données en mai 2022. Les mises à niveau ont augmenté la puissance du collisionneur afin qu'il puisse produire des collisions à 14 TeV, contre la limite précédente de 13 TeV. Cela signifie que les lots de minuscules protons qui voyagent dans des faisceaux autour de l'accélérateur circulaire transportent ensemble la même quantité d'énergie qu'un train de voyageurs de 800 000 livres (360 000 kilogrammes) voyageant à 100 mph (160 km/h). À ces énergies incroyables, les physiciens pourraient découvrir de nouvelles particules trop lourdes pour être vues à des énergies plus basses.

D'autres avancées technologiques ont été faites pour aider à la recherche de matière noire. De nombreux astrophysiciens pensent que les particules de matière noire, qui ne rentrent pas actuellement dans le modèle standard, pourraient répondre à certaines questions en suspens concernant la façon dont la gravité se plie autour des étoiles - appelée lentille gravitationnelle - ainsi que la vitesse à laquelle les étoiles tournent dans les galaxies spirales. Des projets tels que la recherche cryogénique de matière noire n'ont pas encore trouvé de particules de matière noire, mais les équipes développent des détecteurs plus grands et plus sensibles qui seront déployés dans un proche avenir.

Le développement d'immenses nouveaux détecteurs comme Hyper-Kamiokande et DUNE est particulièrement pertinent pour mon travail sur les neutrinos. En utilisant ces détecteurs, les scientifiques pourront, espérons-le, répondre à des questions sur une asymétrie fondamentale dans la façon dont les neutrinos oscillent. Ils seront également utilisés pour surveiller la désintégration des protons, un phénomène proposé qui, selon certaines théories, devrait se produire.

2021 a mis en évidence certaines des façons dont le modèle standard ne parvient pas à expliquer tous les mystères de l'univers. Mais de nouvelles mesures et de nouvelles technologies aident les physiciens à avancer dans la recherche de la théorie du tout.