Un éventail vertigineux de particules, de forces et de champs dicte la base subatomique de tout ce que nous voyons.
Paul Sutter est astrophysicien à l'Ohio State University et scientifique en chef au COSI science center. Sutter est également l'hôte de «Ask a Spaceman» et «Space Radio», et dirige AstroTours à travers le monde. Sutter a contribué cet article à Expert Voices: Op-Ed & Insights de Space.com.
Pour visiter une terre vraiment étrange pleine d'émerveillement et de mystère, vous n'avez pas à vous faufiler dans un cabinet magique, à chevaucher une créature volante qui ne devrait pas être capable de voler ou de sauter imprudemment à travers un portail dans une autre dimension. Non, tout ce que vous avez à faire est d'ouvrir votre accélérateur de particules et de regarder vers le bas, le bas, le bas.
Au niveau subatomique, la vraie variété et la splendeur de la nature sont pleinement exposées, avec un éventail vertigineux de particules, de forces et de champs qui sifflent et tournoient, régis par des lois de la physique presque impénétrables. Pourtant, d'une manière ou d'une autre, plutôt que de créer un désordre chaotique, toutes leurs interactions compliquées produisent le monde macroscopique régulier, ordonné et modelé que nous connaissons. [Quarks et muons étranges, oh mon Dieu! Les plus petites particules de la nature disséquées (infographie)]
On peut comprendre que ce monde minuscule est ségrégué dans une hiérarchie stricte, avec des lignes claires entre les dirigeants et les gouvernés, entre ceux qui sont assis confortablement dans leurs châteaux stables et les petits paysans qui accomplissent réellement le travail. Les interactions entre les différents habitants sont figées par des règles immuables: il y a une place pour tout le monde, et chacun a sa place.
Venez, nous allons visiter.
C'est bon d'être le roi
Au centre de tout cela se trouvent les particules stables les plus massives: les quarks de haut en bas. Leur longévité leur permet de se lier ensemble dans des forteresses presque imprenables: les châteaux de nucléons appelés protons et neutrons. Mais ce ne sont pas les quarks eux-mêmes qui font le travail d'entretien de ces citadelles nucléoniques. En effet, la masse combinée de tous les quarks d'un nucléon est bien plus petite que la masse d'un proton ou d'un neutron.
Au lieu de cela, les quarks de haut en bas sont imprégnés d'une capacité spéciale inconnue des autres particules du royaume. Ils peuvent sentir la force nucléaire puissante. C'est de loin la force la plus puissante, collant les quarks si intensément qu’une seule ne peut jamais être vue isolément. Cette interaction constitue l'épine dorsale invisible de notre monde macroscopique. Nous tenons les protons et les neutrons pour acquis - c'est ainsi qu'ils construisent solidement les murs de leur château. Et leurs masses sont principalement dues à la force de leurs liaisons nucléaires internes, plutôt qu'aux quarks individuels.
La force nucléaire puissante ne s'arrête pas au niveau des protons et des neutrons. La colle qui lie les quarks, leur conférant la domination sur toutes les autres particules, est si dominante qu'elle peut rassembler quelques-uns de ces châteaux ensemble dans une forteresse solide connue sous le nom de noyau atomique. Bien que cette structure ne soit pas imprenable comme les protons et les neutrons eux-mêmes, renverser un noyau nécessite encore un effort immense.
Pourtant, malgré toute leur puissance dominatrice, la portée de l'étreinte des quarks est limitée à leur château particulier et aux environs. C'est parce que la force forte, malgré toute sa force, est sévèrement limitée en portée. C'est ce qui définit la taille des forteresses, des châteaux et des donjons que nous identifions comme les nucléons de notre monde. [7 faits étranges sur les quarks]
Travailler les champs
Au-delà de cette portée limitée, les quarks gardent leurs domaines sous contrôle et communiquent entre eux via les messagers royaux - les photons. Ces envoyés aux pieds rapides sautent d'un endroit à l'autre dans l'univers, sans se fatiguer, transportant la force électromagnétique - l'électricité, le magnétisme et même la lumière elle-même - vers n'importe quelle particule qui a une charge électrique. Cette influence s'étend sur tout le cosmos, bien sûr, plus vous êtes loin de la source, plus l'effet est faible.
Cette liaison électromagnétique maintient les subalternes du monde subatomique en ligne, et pendant que les quarks passent leurs journées à tourner au ralenti dans le confort relatif de leurs châteaux forts et isolés, les "paysans" opprimés - les électrons - font tout le travail pour créer les riches variations de réactions chimiques possibles. C'est vrai - ce sont les pauvres électrons ignobles qui esclaves pour leurs maîtres de quarks. Lié au noyau par l'électromagnétisme - mais généralement empêché d'entrer réellement par les règles de la mécanique quantique - les électrons sont échangés entre les atomes, nous donnant la chimie qui rend presque tout sur notre vie quotidienne possible.
Les quarks au pouvoir échangeront avec plaisir, voleront et emprunteront un humble électron d'un domaine voisin, façonnant leurs mouvements avec des coups de poing lourds des photons - sans se soucier de leurs espoirs, rêves ou ambitions individuels (coulant librement à travers l'univers, serpentant magnétiquement) et ainsi de suite).
Tapi dans l'ombre
Mais toutes les particules de l'univers ne sont pas tenues sous le pouce des quarks despotiques. Certains peuvent couler librement dans tout l'univers, ne sentant pas la force puissante et ignorant en toute sécurité les regards furieux de tous les photons qui passent: les neutrinos. Ces particules fantomatiques peuvent se cacher à la vue, si effervescentes que pendant des décennies nous avons pensé qu'elles étaient entièrement sans masse.
Les neutrinos existent en trois types, les neutrinos électroniques, les neutrinos muons et les neutrinos tau, mais ils sont si bien déguisés que vous ne savez jamais lequel vous regardez. En voyageant, ils peuvent parcourir les masques qu'ils portent, changeant d'identité avec la facilité d'un espion chevronné. Leurs masques déterminent comment ils interagissent (occasionnellement) avec le reste des particules de l'univers: un électron-neutrino ne participera qu'aux réactions impliquant des électrons, par exemple.
Mais en raison de la nature espiègle des neutrinos, un processus qui génère une saveur particulière de cette particule ne peut pas toujours être exécuté en sens inverse pour attraper à nouveau la variété d'origine - ce sont des identités changées.
Pourtant, malgré toutes leurs astuces et subterfuges, les neutrinos ne sont pas à l'abri de l'influence des domaines des quarks. Mais pour que ce genre d'effet se produise, les forces spéciales sont nécessaires. Les particules expertes appelées bosons W et Z, porteurs de la faible force nucléaire, sont les seules capables de communiquer avec les neutrinos espiègles. Dans certains cas, les bosons parviennent à convertir les neutrinos en créatures plus conformes, comme les électrons.
Même dans ce cas, c'est une chance: la plupart du temps, les neutrinos sournois s'enfuient sans scot.
Mais l'ensemble de compétences de ces bosons W et Z, les combattants secrets des opérations noires du monde des particules, va au-delà de la rencontre peu fréquente de neutrinos. Ils ont également un accès presque exclusif au sanctuaire intérieur de la forteresse à nucléons et peuvent transformer un type de quark en un autre. Si un neutron s'échappe de la sécurité d'un noyau atomique, ces bosons spéciaux peuvent transformer cette particule en un proton plus stable.
En dehors du royaume
Bien sûr, cela ne donne pas une image complète du monde subatomique. L'ensemble du modèle standard, notre portrait de ces minuscules créatures et toutes leurs interactions avec le corps occupé sont beaucoup plus grands et plus complexes que ceux qui peuvent être contenus dans quelques paragraphes. Et bien que le modèle standard soit un triomphe de la physique moderne, assemblé douloureusement au cours des décennies, avec des prédictions rigoureuses et une expérimentation précise, c'est aussi une image incomplète de notre monde.
D'une part, il n'inclut pas la gravité, qui est actuellement mieux décrite par la théorie générale de la relativité également incomplète. Il y a aussi les questions cosmologiques persistantes de la nature de la matière noire et de l'énergie noire, sur lesquelles le modèle standard traditionnel ne dit rien (car ces phénomènes n'ont été découverts que récemment). Il y a plus: la masse du neutrino, la hiérarchie des forces et ainsi de suite.
Mais bien qu'il soit loin d'être complet et peut-être un peu insatisfaisant dans son approche du chewing-gum et du ruban adhésif pour modéliser le monde physique, le modèle standard est incroyablement utile. Il peut prédire avec une précision surprenante les mouvements et les mouvements de ces habitants subatomiques et tous leurs intrigues néfastes.
Pour en savoir plus, écoutez l'épisode "Qui vit dans le zoo des particules?" sur le podcast "Ask a Spaceman", disponible sur iTunes et sur le Web à http://www.askaspaceman.com. Merci à Alessandro M., Roger, Martin N., Daniel C. et @PoZokhr pour les questions qui ont mené à cette pièce! Posez votre propre question sur Twitter en utilisant #AskASpaceman ou en suivant Paul @PaulMattSutter et facebook.com/PaulMattSutter.
