Un an, des physiciens ont demandé : « Qu’y a-t-il au-delà du modèle standard ? » › Nouvelles Geek

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Le poste a contribué l’article à Expert Voices: Op-Ed & Insights de Space.com.

Aaron McGowan, maître de conférences en physique et astronomie, Rochester Institute of Technology

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

Le modèle standard explique la physique fondamentale du fonctionnement de l’univers. Il a subi plus de 50 voyages autour du soleil malgré le fait que les physiciens expérimentateurs enquêtent constamment sur les fissures dans les fondations du modèle.

À quelques exceptions près, il a résisté à cet examen minutieux, passant test après test 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 physicien des neutrinos. Les neutrinos représentent trois des 17 particules fondamentales du modèle standard. Ils transpercent chaque personne sur Terre à tout moment de la journée. J’étudie les propriétés des interactions entre les neutrinos et les particules de matière normale.

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En 2021, des physiciens du monde entier ont mené une série d’expériences qui ont testé le modèle standard. Les équipes ont mesuré les paramètres de base du modèle plus précisément que jamais. D’autres ont étudié les marges de connaissance où les meilleures mesures expérimentales ne coïncident pas tout à fait avec les prédictions faites par le modèle standard. Et enfin, les 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 sont couronnés de succès, ils pourraient conduire à une théorie plus complète de l’univers à l’avenir.

Le modèle standard de physique permet aux scientifiques de faire des prédictions incroyablement précises sur le fonctionnement du monde, mais il n’explique pas tout. (Crédit image : CERN)

Remplissage des trous dans le modèle standard

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

Le modèle standard est un cadre prédictif qui fait deux choses. Tout d’abord, expliquez quelles 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 incluent les photons et le célèbre 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 comporte quelques lacunes.

En particulier, 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 doivent encore découvrir une particule qui transmet la force de gravité. Une « théorie du tout » appropriée ferait tout ce que le modèle standard peut faire, mais elle 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 n’importe quelle particule a une certaine masse : les physiciens doivent mesurer la masse des particules directement par des expériences. Ce n’est qu’après que les expériences ont donné aux physiciens ces masses exactes qu’elles peuvent être utilisées pour des prédictions. Plus les mesures sont bonnes, meilleures sont les prédictions qui peuvent être faites.

Récemment, des physiciens d’une équipe du CERN ont mesuré à quel point le boson de Higgs est ressenti. Une autre équipe du CERN a également mesuré la masse du boson de Higgs plus précisément que jamais. Et enfin, des progrès ont également été réalisés dans 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 des techniques qui pourraient leur permettre de mesurer directement la masse des neutrinos.

Des projets comme l’expérience Muon g-2 mettent en évidence des écarts entre les mesures expérimentales et les prédictions du modèle standard qui indiquent des problèmes quelque part en physique. (Crédit image : Reidar Hahn / Wikimedia Commons)

Signes de nouvelles forces ou particules.

En avril 2021, les membres de l’expérience Muon g-2 au Laboratoire Fermi ont annoncé leur première mesure du moment magnétique du muon. Le muon est l’une des particules fondamentales du modèle standard, et cette mesure de l’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 moment magnétique du modèle standard. Fondamentalement, les muons ne se comportent pas comme ils le devraient. Cette découverte pourrait indiquer que des particules non découvertes interagissent avec des 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 avec précision le moment magnétique du muon. Sa prédiction théorique est différente des anciennes prédictions, elle fonctionne toujours dans le modèle standard et, plus important encore, elle correspond aux mesures expérimentales du muon.

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

Les nouveaux outils aideront les physiciens à rechercher de la matière noire et d’autres éléments qui pourraient aider à expliquer les mystères de l’univers. (Crédit image : Mattia Di Mauro (ESO / Fermi-Lat))

Les physiciens doivent osciller entre l’élaboration d’idées époustouflantes 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 l’avancement des outils expérimentaux de la physique.

Premièrement, le plus grand accélérateur de particules au monde, le Large Hadron Collider du CERN, a été arrêté et a subi des améliorations substantielles. Les physiciens viennent de redémarrer l’installation en octobre et prévoient de commencer la prochaine collecte de données en mai 2022. Les mises à jour ont augmenté la puissance du collisionneur afin qu’il puisse produire des collisions à 14 TeV, contre 13 TeV auparavant. Cela signifie que les lots de petits protons voyageant en 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 peuvent découvrir de nouvelles particules qui étaient trop lourdes pour être vues à des énergies plus basses.

Quelques autres avancées technologiques ont été faites pour aider à la recherche de la matière noire. De nombreux astrophysiciens pensent que les particules de matière noire, qui ne correspondent actuellement pas au modèle standard, pourraient répondre à des questions en suspens sur la façon dont la gravité se courbe autour des étoiles, appelée lentille gravitationnelle, ainsi que sur la vitesse à laquelle elles se courbent. les étoiles tournent dans les galaxies spirales. Des projets comme 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 mis en œuvre dans un avenir proche.

Le développement d’énormes nouveaux détecteurs comme Hyper-Kamiokande et DUNE est particulièrement pertinent pour mon travail sur les neutrinos. Avec ces détecteurs, nous espérons que les scientifiques pourront répondre aux questions sur une asymétrie fondamentale dans la façon dont les neutrinos oscillent. Ils seront également utilisés pour observer la désintégration du proton, un phénomène proposé que certaines théories prédisent qu’il devrait se produire.

2021 a mis en évidence certaines des façons dont le modèle standard n’explique pas tous les mystères de l’univers. Mais de nouvelles mesures et de nouvelles technologies aident les physiciens à faire avancer leur quête de la théorie du tout.

Cet article a été republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’article original.

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