Le modèle standard est une chose de toute beauté. C’est la théorie la plus rigoureuse de la physique des particules, incroyablement précise et exacte dans ses prédictions. Il expose mathématiquement les 17 éléments constitutifs de la nature : six quarks, six leptons, quatre particules porteuses de force et le boson de Higgs. Ceux-ci sont régis par les forces électromagnétique, faible et forte.
« Pour ce qui est de la question « Que sommes-nous ? », le modèle standard a la réponse », déclare Saúl Ramos, chercheur à l’Université nationale autonome du Mexique (UNAM). « Il nous dit que chaque objet dans l’univers n’est pas indépendant, et que chaque particule est là pour une raison. »
Depuis 50 ans, un tel système a permis aux scientifiques d’intégrer la physique des particules dans une équation unique qui explique la plupart de ce que nous pouvons voir dans le monde qui nous entoure.
Malgré son grand pouvoir de prédiction, cependant, le modèle standard ne répond pas à cinq questions cruciales, et c’est pourquoi les physiciens des particules savent que leur travail est loin d’être terminé.
Pourquoi les neutrinos ont-ils une masse ?
Trois des particules du Modèle standard sont différents types de neutrinos. Le Modèle standard prédit que, comme les photons, les neutrinos ne devraient pas avoir de masse.
Cependant, les scientifiques ont découvert que les trois neutrinos oscillent, ou se transforment les uns en les autres, lorsqu’ils se déplacent. Cette prouesse n’est possible que parce que les neutrinos ne sont finalement pas sans masse.
« Si nous utilisons les théories dont nous disposons aujourd’hui, nous obtenons une mauvaise réponse », déclare André de Gouvêa, professeur à l’université Northwestern.
Le modèle standard s’est trompé sur les neutrinos, mais il reste à savoir à quel point. Après tout, les masses que possèdent les neutrinos sont assez faibles.
Est-ce tout ce que le modèle standard a manqué, ou y a-t-il plus que nous ne savons pas sur les neutrinos ? Certains résultats expérimentaux ont suggéré, par exemple, qu’il pourrait exister un quatrième type de neutrino appelé neutrino stérile que nous n’avons pas encore découvert.
Qu’est-ce que la matière noire ?
Les scientifiques ont réalisé qu’ils manquaient quelque chose lorsqu’ils ont remarqué que les galaxies tournaient beaucoup plus vite qu’elles ne devraient l’être, sur la base de la force gravitationnelle de leur matière visible. Elles tournaient si vite qu’elles auraient dû se déchirer. Quelque chose que nous ne pouvons pas voir, que les scientifiques ont surnommé « matière noire », doit donner une masse supplémentaire – et donc une attraction gravitationnelle – à ces galaxies.
La matière noire représenterait 27 % du contenu de l’univers. Mais elle n’est pas incluse dans le modèle standard.
Les scientifiques cherchent des moyens d’étudier cette matière mystérieuse et d’identifier ses éléments constitutifs. Si les scientifiques pouvaient montrer que la matière noire interagit d’une manière ou d’une autre avec la matière normale, « nous aurions encore besoin d’un nouveau modèle, mais cela signifierait que le nouveau modèle et le modèle standard sont connectés », explique Andrea Albert, chercheuse au SLAC National Laboratory du ministère américain de l’énergie, qui étudie la matière noire, entre autres, à l’Observatoire Cherenkov de l’eau à haute altitude au Mexique. « Ce serait un énorme changement de donne ».
Pourquoi y a-t-il tant de matière dans l’univers ?
Chaque fois qu’une particule de matière voit le jour – par exemple, lors d’une collision de particules dans le Grand collisionneur de hadrons ou lors de la désintégration d’une autre particule – normalement, son homologue antimatière l’accompagne. Lorsque des particules de matière et d’antimatière égales se rencontrent, elles s’annihilent mutuellement.
Les scientifiques supposent que lorsque l’univers s’est formé lors du Big Bang, la matière et l’antimatière auraient dû être produites en parts égales. Cependant, un mécanisme a empêché la matière et l’antimatière de suivre leur schéma habituel de destruction totale, et l’univers qui nous entoure est dominé par la matière.
Le modèle standard ne peut pas expliquer ce déséquilibre. De nombreuses expériences différentes étudient la matière et l’antimatière à la recherche d’indices sur ce qui a fait pencher la balance.
Pourquoi l’expansion de l’univers s’accélère-t-elle ?
Avant que les scientifiques ne puissent mesurer l’expansion de notre univers, ils devinaient qu’elle avait commencé rapidement après le Big Bang puis, au fil du temps, avait commencé à ralentir. Cela a donc été un choc de constater que, non seulement l’expansion de l’univers ne ralentissait pas, mais qu’elle s’accélérait en fait.
Les dernières mesures effectuées par le télescope spatial Hubble et l’observatoire Gaia de l’Agence spatiale européenne indiquent que les galaxies s’éloignent de nous à 45 miles par seconde. Cette vitesse se multiplie pour chaque mégaparsec supplémentaire, soit une distance de 3,2 millions d’années-lumière, par rapport à notre position.
Ce rythme proviendrait d’une propriété inexpliquée de l’espace-temps appelée énergie noire, qui pousse l’univers à se séparer. Elle constituerait environ 68 % de l’énergie de l’univers. « C’est quelque chose de très fondamental que personne n’aurait pu anticiper rien qu’en regardant le Modèle standard », dit de Gouvêa.
Y a-t-il une particule associée à la force de gravité ?
Le Modèle standard n’a pas été conçu pour expliquer la gravité. Cette quatrième et plus faible force de la nature ne semble pas avoir d’impact sur les interactions subatomiques que le Modèle standard explique.
Mais les physiciens théoriques pensent qu’une particule subatomique appelée graviton pourrait transmettre la gravité de la même manière que les particules appelées photons transmettent la force électromagnétique.
« Après que l’existence des ondes gravitationnelles a été confirmée par LIGO, nous nous demandons maintenant : quelle est la plus petite onde gravitationnelle possible ? Cela revient à peu près à demander ce qu’est un graviton », explique Alberto Güijosa, professeur à l’Institut des sciences nucléaires de l’UNAM.
Plus à explorer
Ces cinq mystères sont les grandes questions de la physique du 21e siècle, selon Ramos. Pourtant, il existe des énigmes encore plus fondamentales, dit-il : Quelle est la source de la géométrie de l’espace-temps ? D’où vient le spin des particules ? Pourquoi la force forte est-elle si forte alors que la force faible est si faible ?
Il reste beaucoup à explorer, dit Güijosa. « Même si nous finissons par avoir entre les mains une théorie finale et parfaite de tout, nous continuerions à réaliser des expériences dans différentes situations afin de repousser ses limites. »
« C’est un exemple très classique de la méthode scientifique en action », dit Albert. « Avec chaque réponse viennent d’autres questions ; rien n’est jamais fait. »