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La masse

Le mystère de la matière

   Catégorie : matière et particules
Mise à jour 01 juin 2011

C'est à l'âge des ténèbres cosmiques que la matière est apparue. Avant le Big Bang, il y a 13,8 milliards d'années il n'y avait rien, l'espace n'existait pas, le temps non plus, c'était le néant. Le télescope WMAP nous montre ci-contre, une image de l'univers, quelques 380 mille années après le Bigbang, mais nous ne sommes toujours pas capables d'assister à sa naissance. Entre 0 et 380 000 ans, l'univers est si dense que la lumière ne peut s'en échapper. Cette période demeurera toujours invisible. Pour nous rapprocher de la naissance de l'univers, nous sommes contraint d'aller voir de l'autre côté du temps et de l'espace, du côté de l'infiniment petit. C'est dans le Grand Collisionneur de Hadrons (CERN)que les scientifiques veulent voir ce que la nature nous cache. Cette machine à reproduire le Bigbang, centralise tous les espoirs des physiciens des particules. Dans cette machine, des protons sont accélérés à la vitesse de la lumière et 800 millions de collisions par seconde sont produites pour analyser les interactions. Le LHC pourrait engendrer des phénomènes inattendus comme celui de générer les dimensions de mondes parallèles. La théorie des cordes prédit l'existence de dimensions supplémentaires en plus des trois dimensions d'espace que nous connaissons. Les physiciens espèrent avec cette machine, trouver l'explication du "tout". L'univers d'aujourd'hui est trop complexe pour être compris mais en remontant aux origines de l'univers, tous ce qu'on y trouve c'est une structure simple formée de quelques particules et de quelques forces.

 

A partir de là, on peut comprendre comment l'univers a atteint la complexifié jusqu'à la matière. Depuis la découverte des premières particules de la matière par Leon Lederman, les physiciens ont classifié la matière à travers une multitude de particules. L'énergie et la masse sont liées dans la matière. E=MC2 d'Einstein, fonctionne dans les deux sens, la masse crée l'énergie mais l'énergie peut créer la matière. En soumettant les atomes à de puissantes énergies les physiciens mettent en évidence des éléments de blocs indivisibles, les particules élémentaires. En réalité les physiciens cherchent à remonter le temps pour trouver le moment où l'énergie du Big Bang est devenue pour la première fois, matière. Le quark Up, le quark Down, l'électron, le neutrino électron, le Boson W+, le Boson W-, le quark Charme, le quark Strange, le muon, le neutrino Muon, le quark Top, le quark Bottom, le tau, le neutrino Tau, le boson Z, le gluon et le photon sont les constituants de la matière.
Le modèle standard décrit les éléments de base de la matière, mais il est incomplet, il reste encore une chose à découvrir c'est l'apparition de la masse. Cette chose qui donne sa substance aux particules élémentaires.

nota : La lumière est apparue 380 000 ans après le Big Bang, lorsque les électrons libres se sont combinés aux noyaux atomiques. Cette époque marque le découplage entre le rayonnement et la matière.

 fond diffus de l'univers WMAP

Image : Les analyses des images du télescope WMAP indiquent que l'univers observable est vieux de 13,8 milliards d'années (± 1 %). Il est composé de 73 % d'énergie noire, 23 % de matière sombre froide, et 4 % d'atomes, c'est à dire de matière. Notre univers est actuellement en expansion avec un taux de 71 km/s/Mpc (±  5 %), il est passé par des épisodes d'expansion rapide appelés inflation et grandira pour toujours. Crédit: Équipe scientifique WMAP, NASA

Qu'est-ce que la masse ?

    

Sans la masse les particules se déplaceraient à la vitesse de la lumière et l'univers ne serait que radiations, il n'y aurait rien de solide. Si la matière peut s'agglomérer c'est grâce à la masse.
Pourquoi cette substance qui nous constitue, est-elle matière, pourquoi est-elle solide et pourquoi a-t-elle une masse ?
Pour relier le modèle standard avec le monde réel, les scientifiques ont du inventer une nouvelle théorie. C'est le mécanisme de Higgs, qui fait que la matière est matière.
Le Gluon est le médiateur de l'interaction forte, c'est à dire de la force nucléaire, le Photon est le médiateur de l'interaction électromagnétique mais l'interaction faible n'a toujours pas de médiateur.
Le physicien Peter Higgs en a imaginé un dans les années 1960. Cette particule hypothétique est appelée Boson. Ainsi le mécanisme de Higgs remplit tout l'univers et tout l'espace, d'une mélasse, d'un champs de Bosons. Certaines particules en traversant ce fameux champs de Higgs, interagiraient avec lui et seraient freinées, d'où leur inertie.
Il s'agit des particules lourdes, comme toutes les particules qui constituent notre corps. Le champ de Higgs freine donc les quarks qui composent les objets que nous soulevons. Ainsi la masse inertielle d'une particule résulterait de son degré d'interaction avec le champ de Higgs.

 

Le photon, médiateur de l'interaction électromagnétique, n'interagit pas du tout avec le champs de Higgs et poursuit sa route à la vitesse de la lumière. Le champs hypothétique de Higgs est actuellement la pièce manquante du modèle standard, il permet d'expliquer l'existence d'un univers d'objets solides constitués de particules massives.
La découverte du champs de Higgs électrofaible, permettra de comprendre le fonctionnement de l'univers. Mais pour prouver l'existence du champs de Higgs, les scientifiques doivent d'abord trouver le Boson de Higgs, c'est à dire la particule qui est liée à ce champs. Mais depuis les années 1960, aucun physicien des particules n'a trouvé ce boson.
Le monde scientifique a misé sur le LHC pour y arriver. Le LHC permettra de s'approcher du Bigbang et de vérifier si cette particule existe ou non. Le LHC nous permettra peut-être de découvrir l'origine de la masse et les premiers instants du temps. Par contre si l'on ne trouve pas le boson de Higgs c'est que la sciences est dans une impasse et qu'elle a fait fausse route.
Chaque avancée scientifique nous permet au moins, de mesurer la taille de notre ignorance.

nota : Le boson de Higgs, aussi connu sous le nom de boson BEH (Robert Brout, François Englert, Peter Higgs), est une particule élémentaire du champ de Higgs.

 Atlas LHC

Image : Le détecteur de particules géant Atlas pourrait, découvrir de nouvelles particules élémentaires comme le  boson de Higgs Le boson de Higgs est une particule prédite par le fameux "modèle standard" de la physique des particules élémentaires. Elle constitue le chaînon manquant de ce modèle. En effet, cette particule est supposée expliquer l'origine de la masse de toutes les particules de l'Univers (y compris elle-même), mais en dépit de ce rôle fondamental, elle reste encore à découvrir puisque aucune expérience ne l'a pour l'instant observée de façon indiscutable., une particule vainement recherchée jusqu’à ce jour, trouver des particules super symétriques ou accéder à des dimensions supplémentaires de l’espace. crédit : CERN

Le modèle standard

    

Aujourd'hui le modèle Standard décrit avec succès trois des quatre interactions fondamentales : forte, faible et électromagnétique.
Le tableau des particules élémentaires contient trois familles :
- les quarks up et down, et les leptons, électron et neutrino électronique,
- les quarks charm et strange, et les leptons muon et neutrino muonique,
- les quarks top et bottom et les leptons tau et neutrino tau.
Quatre de ces particules élémentaires suffiraient en principe pour construire le monde qui nous entoure : les quarks up et down, l'électron et le neutrino électronique. Les autres sont instables et se désintègrent pour rejoindre ces quatre particules.

nota : Le Modèle Standard ne décrit pas la quatrième interaction : l'interaction gravitationnelle.

Image : Le tableau des particules élémentaires du Modèle Standard, classe les fermions, constituants de la matière et les bosons.

 constituants de la matière

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