A l'origine, étaient la terre, l'eau, l'air et le feu, qui formaient, selon les Anciens, notre Univers. Empédocle d'Agrigente (490-435 avant notre ère) déclara même que la totalité du monde s'expliquait par l'existence de ces quatre éléments d'importance équivalente et de deux principes qui les unissaient : l'amour et la haine. Depuis, la vision de notre monde s'est complexifiée à l'envi. Pour rendre compte des phénomènes particuliers du comportement de la matière ou tester les théories de l'origine du monde, les chimistes ont découvert les corps purs. Puis, les physiciens ont petit à petit mis à jour les composants élémentaires de cette matière, qui constituent tous les éléments de l'Univers.

 

Première grande étape : 1911. Le Britannique Ernest Rutherford décrit l'atome comme un noyau dense autour duquel gravitent des électrons. Puis, tombent dans l'escarcelle de la science le proton, qui est mis à nu en 1919, et le neutron, en 1932. Entre-temps – en 1930 –, Wolfgang Pauli tente une opération de sauvetage du « principe de conservation de l'énergie ». Il imagine, pour expliquer la désintégration bêta (voir enquête 9), une nouvelle particule légère, neutre et interagissant très peu avec les autres particules de la matière : le neutrino, ainsi nommé en 1933 par Enrico Fermi. À partir de 1964, tout s'accélère lorsque les Américains George Zweig et Murray Gell-Mann « inventent » le quark, sorte de chaînon manquant qui permet d'expliquer la cohésion du noyau atomique et dont le nom est tiré du

roman Finnegans Wake de James Joyce. Ainsi, les nucléons (protons et neutrons) se composent chacun de quarks. Restait à découvrir ces curiosités mathématiques. C'est chose faite en 1968, lorsque le Canadien Dick Taylor et les Américains Henry Kendall et Jerry Friedman mettent en évidence, à l'aide de l'accélérateur linéaire de particules de Stanford, en Californie, les preuves de leur existence. Petit à petit, le bestiaire des particules s'enrichit. On a recensé douze particules que l'on considère actuellement comme élémentaires, classées en trois grandes familles (voir tableau ci-contre) et à partir desquelles il est possible de reconstituer toute la matière de l'Univers. Ces familles ont comme figures de proue les quarks, les électrons et les neutrinos (ces deux derniers étant regroupés sous le vocable de leptons). Mais à cela, il faut ajouter les quatre types de particules messagères – que l'on a baptisées bosons – qui transmettent les interactions fondamentales de notre monde (voir enquête 9) :

– Les photons, vecteurs de l'interaction électromagnétique ;

– Les gluons, porteurs de l'interaction nucléaire forte, qui assurent la très forte liaison des quarks entre eux. Sans eux, les noyaux atomiques, et donc nous-mêmes, n'existeraient pas ;

– Les bosons intermédiaires (dénommés W et Z), qui véhiculent l'interaction nucléaire faible et entrent en jeu lors de la désintégration bêta du noyau ;

– Le graviton, dont on suppose l'existence sans avoir jamais pu la mettre en évidence et qui serait porteur de la gravité.

 

 

À l'ensemble de ce beau tableau de chasse, il faut ajouter toute une flopée de particules composites – au total près de 300 – qui ne vivent que l'espace d'un instant et naissent lors des collisions très énergétiques au cœur des accélérateurs de particules : citons, par exemple, les pions et les kaons. Le paysage est-il complet ? Certainement pas. Pour réunir deux forces – électromagnétique et nucléaire faible – des trois interactions de la nature en une même théorie audacieuse imaginée en 1979 par les Américains Sheldon Glashow et Steven Weinberg et par le Pakistanais Abdus Salam, il faut absolument qu'une particule nouvelle existe : le boson de Higgs (voir enquête 9). Signe particulier : sa masse doit être énorme, puisqu'il n'a pas encore été découvert¹. Sans lui, nous serions aussi légers qu'un photon et voguerions à la vitesse de la lumière… « Ce mécanisme de Higgs résulte des propriétés fondamentales du vide et d'une rupture de symétrie dans l'Univers primordial. Il explique la masse des bosons intermédiaires et celle des quarks et des leptons – du quark “top” au neutrino, au moins un million de fois plus léger », indique Étienne Augé, 

Les hadrons sont des particules constituées de quarks et de gluons. On distingue les mésons, faits d'un quark et d'un antiquark, et les baryons (tels que les nucléons) constitués de trois quarks. Les hadrons sont sensibles à l'interaction nucléaire forte. En revanche, les leptons (électrons, neutrinos et assimilés) ne sont pas du tout influencés par son action.

du Laboratoire de l'accélérateur linéaire d'Orsay (Essonne)². Cette particule est la clé de voûte de la théorie la plus en vogue aujourd'hui pour expliquer l'Univers, le modèle standard.

 

Pas étonnant que nombre de physiciens lui courent après et espèrent qu'elle se manifestera au grand collisionneur de hadrons, le LHC, cet accélérateur de nouvelle génération qui entrera en fonction au Cern de Genève en 2007. La France y contribue par le travail de 440 chercheurs, ingénieurs ou techniciens du CNRS-IN2P3 et du CEA. Elle participe aux expériences Atlas (A Toroidal Apparatus) et CMS (Compact Muon Solenoid). Et elle contribuera notamment à l'analyse du milliard de mégaoctets de données obtenues chaque année. « Atlas est le plus gros des quatre détecteurs qui équiperont le LHC. Là, les collisions de protons se produiront au taux de 800 millions par seconde, et la moisson durera au moins jusqu'en 2015 », précise Étienne Augé. S'il existe, le boson de Higgs ne surgira effectivement que dans une collision sur environ un milliard. Et, malgré la sophistication des détecteurs, il ne sera dûment identifié que dans… 0,5 % des cas. Soit, en pratique, quelques fois par jour. Les calculs prédisent que la masse de ce boson hors normes se situera entre 200 000 et 2 millions de fois celle de l'électron.

Dans les années soixante-dix, pour aller plus loin dans l'unification des forces de la nature, quelques physiciens inventifs, dont Pierre Fayet, de l'École normale supérieure, ont imaginé la théorie de la supersymétrie (voir enquête 9). Problème : elle implique l'existence d'une nouvelle multitude de particules, plus massives que celles que nous connaissons actuellement, puisqu'elles n'ont pas encore été découvertes. Ainsi, à chaque quark, électron ou neutrino familier serait lié un superpartenaire baptisé squark, sélectron ou sneutrino. De même, les photons, gluons, bosons W, Z et Higgs correspondraient aux photinos, gluinos, winos, zinos et higgsinos. On suppose que ces particules se combinent pour engendrer le neutralino qui, s'il existait, permettrait de résoudre l'énigme de la matière noire (voir encadré enquête 8), qui constitue environ 20 % du contenu de l'Univers. Sur Terre, chaque mètre cube renfermerait 100 à 1 000 neutralinos. Une proie idéale pour l'expérience Edelweiss, enfermée sous le mont Fréjus, dans les Alpes françaises, et à laquelle participe le CNRS-IN2P3. Selon les espoirs les plus enthousiastes, certains de ces superpartenaires pourraient aussi être créés au grand collisionneur de hadrons du Cern.

 

La supersymétrie n'est au mieux qu'une étape sur le chemin des théories de grande unification de la physique. Au-delà, interviendra l'hypothétique fusion de la force de gravité, portée par une autre particule, le graviton, avec ses sœurs. Mais cette étape est de loin la plus difficile à cerner. Et les ondes gravitationnelles, prévues par la relativité générale, n'ont été décelées que de manière indirecte dans le comportement d'un couple d'étoiles denses – le pulsar binaire PSR B1913+16 de la constellation de l'Aigle. Celui-ci fut découvert en 1974 par Russell Hulse et Joseph Taylor, de Princeton. Ce qui leur a valu le Nobel 1993. En revanche, pour en savoir plus sur ces ondes évanescentes, il faudra attendre les premiers résultats des antennes gravitationnelles Virgo (voir Le journal du CNRS, n° 163, juillet 2003), près de Pise, grand chantier de cette décennie. Ou bien un peu plus tard leur équivalent dans l'espace, Lisa, projet de l'Agence spatiale européenne auquel collabore le CNRS. Quant au graviton, il scellerait définitivement le sort de l'union de la relativité et de la physique quantique. À ce titre, toutes les têtes pensantes sont persuadées de l'existence de cette dernière particule messagère d'interaction. Mais aucune n'a idée d'un dispositif expérimental susceptible de la détecter. Au fil des siècles, la jungle des particules s'est alternativement enrichie et simplifiée avec une frénésie exubérante, passant par exemple des quatre éléments de l'Antiquité à plus de 90 corps purs et de plusieurs centaines de noyaux au couple proton-neutron, puis aux quarks. Et le bestiaire n'est probablement pas clos.

 

Frédéric Guérin