| Glashow, S. L. (1997). Le charme de la physique: La recherche des secrets de la matière O. Colardelle, Trans. Paris: Éditions Albin Michel. |
|
| Last edited by: Dominique Meeùs 2010-10-03 16:36:45 |
Pop. 0%
|
La science progresse souvent dans cet ordre : on observe un résultat surprenant en laboratoire, et le cadre théorique existant doit alors être élargi ou amélioré afin d’expliquer ce nouveau phénomène. C’est ainsi que les irrégularités constatées dans le déplacement de la planète Uranus ont conduit à la prédiction remarquablement exacte d’une nouvelle planète : Neptune. De la même manière, c’est en remarquant que la patte coupée d’une grenouille se contractait lorsqu’il y appliquait un scalpel que Galvani a compris la nature du courant électrique, ce qui a conduit à la construction de la première pile électrique par Alessandro Volta. Les découvertes surprenantes et tout à fait imprévues des rayons X, de la radioactivité et des particules étranges ont elles aussi suivi la même voie d’évolution de la science.
En de rares occasions, l’ordre historique normal s’inverse, lorsque l’invention théorique précède la découverte expérimentale. C’est ainsi qu’en établissant sa table périodique des éléments, Mendeleïev remarqua qu’elle comptait plusieurs cases vides. Il réalisa qu’elles correspondaient à des éléments chimiques encore inconnus, dont il calcula les propriétés physico-chimiques. Quelques années plus tard, ces éléments dont il avait prédit l’existence furent trouvés dans la Nature, et nommés scandium, gallium et germanium en l’honneur des pays de leur découverte. Mendeleïev fut alors reconnu comme un grand scientifique, qui possédait le courage de ses convictions.
En 1961, Murray Gell-Mann et Yuval Ne’eman inventerent un système de classification qui ressemblait beaucoup à une table périodique des particules élémentaires. Selon cette « voie octuple », les particules étaient regroupées dans des figures géométriques simples, hexagones et triangles. Là encore, une de ces figures comportait un trou correspondant à une particule inconnue. Peu de scientifiques prirent au sérieux cette nouvelle et étrange théorie, mais des expérimentateurs du Laboratoire national de Brookhaven finirent cependant par découvrir en 1964 la particule prédite par Gell-Mann. Cette découverte de l’ « oméga-moins » força les païens à se convertir et fit de la voie octuple un dogme scientifique.
Le succès de la voie octuple s’explique aujourd’hui par la théorie des quarks, de la même façon que celui de la table périodique des éléments est justifié par la théorie quantique de la structure atomique. Gell-Mann lui-même imagina dès 1963 la notion de quarks (qui fut également inventée indépendamment par George Zweig, devenu depuis neurobiologiste), mais il s’écoula pourtant une décennie avant que ces idées soient partout acceptées.
[…]
Les lois fondamentales de la théorie des quarks postulent qu’il est possible de construire une particule subnucléaire à partir de n’importe quelle combinaison de ces trois quarks. Il existe aussi une autre famille de particules subnucléaires, les mésons, qui sont composés d’un quark et d’un antiquark. Une grande part de la diversité que présente la physique subnucléaire provient de ce que trois types de quarks différents peuvent être utilisés.
En 1964, peu de temps après l’invention des quarks, James Bjorken et moi·même avançâmes qu’il devait exister un quatrième type de quark, que nous appelâmes « quark charmé », mais ce n’est que dix ans plus tard que la première particule contenant un quark charmé fut produite et détectée en laboratoire.
Notre raisonnement s’appuyait là encore sur une « table périodique » : non pas une table d’éléments, ni de particules subnucléaires, mais une table de quarks et de leptons. |
| Jacob, M. (2001). Au cœur de la matière: La physique des particules élémentaires. Paris: Éditions Odile Jacob. |
|
| Added by: Dominique Meeùs 2012-07-30 12:52:36 |
Pop. 0%
|
C’est en effet avec la masse que nos idées préconçues se trouvent peut-être les plus bousculées. Quoi de plus tangible que la masse ? N’est-ce pas a priori une propriété fondamentale d’un objet indépendante des circonstances ? Avec Lavoisier, la masse est une propriété indestructible, que l’on retrouve à travers tous les processus chimiques. Avec Einstein, c’est une forme de l’énergie mais dans la plupart des cas, la conservation de l’énergie entraîne la conservation de la masse. En physique des particules, la masse est une propriété intrinsèque de la particule, un invariant qui sert à la définir. La masse est longtemps apparue comme une propriété fondamentale.
N’est-il pas surprenant de la voir maintenant apparaître comme une propriété purement dynamique, liée aux propriétés du vide et à la façon dont elles affectent les particules qui s’y trouvent ? Le modèle standard introduit des particules sans masse et le couplage au champ de Higgs attribue une masse déterminée à chaque particule, toutes ces masses étant proportionnelles à la valeur moyenne de ce champ. On peut dire que la masse de chaque particule est maintenant donnée par une constante de couplage au champ de Higgs, soit autant de paramètres (de nombres purs) qu’il y a de particules.
Cela s’applique aux leptons, mais pour les quarks constituant des hadrons, il faut aller plus loin. Les quarks u et d ne vont acquérir ainsi que des masses très faibles (quelques MeV) par rapport à celles des protons et des neutrons qu’ils constituent (de l’ordre du GeV). Or la masse du proton et celle du neutron représentent la masse telle qu’elle apparaît dans la vie courante, la masse des atomes et donc de tous les corps. Comme nous venons de le voir, cette masse hadronique correspond à la masse effective que prennent ces quarks quand ils s’habillent de gluons à l’intérieur d’un hadron. Pratiquement, la totalité de cette masse effective est un effet dynamique. On peut aussi dire qu’elle correspond à l’énergie nécessaire pour créer la bulle que va constituer la particule dans un vide qui préférerait ne pas l’avoir et ne la tolère que parce qu’elle est globalement « neutre » vis-à-vis de la couleur. La création de cette « bulle » demande une énergie de l’ordre du GeV. D’où vient cette valeur de la masse ? Il n’y a pas d’échelle de masse en chromodynamique. Il n’y a qu’une constante de couplage sans dimension. Nous avons vu qu’une échelle de masse (de l’ordre de 150 MeV) apparaît pourtant quand on considère la variation de la constante de couplage effective avec le transfert. Elle est incontournable lorsqu’on veut calculer et pour ce faire renormaliser la théorie. Rappelons-nous l’inversion de l’effet d’écran rencontré au chapitre 2. La masse va dépendre de la structure de la chromodynamique fondée sur la symétrie SU(3) de la couleur. Elle dépend avant tout du fait qu’il y a 8 gluons et 2 quarks à ce niveau d’énergie, encore une fois des nombres purs. Mais il n’y a pas que cela. Un physicien dira que lorsqu’on renormalise une théorie il faut se raccrocher à une valeur expérimentale qu’on ne peut que mesurer et qui, dans le cas de l’interaction forte, peut être choisie comme une distance de l’ordre de 1 fermi (où mesurer la force de l’interaction avec un couplage effectif de l’ordre de 1) ou une énergie de l’ordre de 150 MeV (donnant la variation du couplage effectif avec le transfert). On se raccroche souvent en pratique à la masse du méson rho qui vaut 750 MeV. L’expérience a bien son mot à dire. On ne saurait cependant minimiser la portée de la théorie. Fixant l’échelle de masse sur la valeur d’une masse hadronique, on peut en principe calculer toutes les autres masses ainsi que la température de déconfinement que nous avons rencontrée (voir chapitre 7). Ce n’est aujourd’hui possible qu’au prix de gros calculs numériques sur des ordinateurs qui deviennent de plus en plus puissants (voir chapitre 14).
Cette nouvelle conception de la masse est une révolution importante. Ce qui apparaissait comme une propriété intrinsèque et immuable se voit relégué au rang d’effet dynamique dépendant des interactions et, avant tout, de la structure du vide. |
