Enigme sur l’élémentaire !
Aussi étrange que cela puisse paraître, un nouveau questionnement semble s’imposer à propos d’un objet physique si prépondérant et si ausculté, donc si bien connu, que serait l’électron. En fait le questionnement a toute son ampleur à propos des leptons dont fait partie l’électron (e-) en tant que particule de matière chargée en compagnie du muon (µ-) et du tau (τ-) dont l’antiparticule respective à chacun d’entre eux a une charge positive. Ce questionnement me convient car les trois autres leptons sont les neutrinos avec des saveurs attachées dont j’ai la conviction que l’on ne doit pas corseter leurs propriétés physiques dans le cadre du modèle standard de la physique des particules élémentaires.
Deux articles ont été publiés, il y a quelques jours :
Dans le NewScientist (NS), ci-joint en fin d’article : ‘What if the diminutive electron isn’t as small as it gets ?’ ; ‘Quoi, si le minuscule électron n’est pas si petit qu’il ne le paraît ?’
Sur le site du ‘Pour la Science’ : (PlS), du 04/09, ci-joint en fin d’article : ‘L’électron défie-t-il le modèle standard ?
Dans le NS, il est dit : “As far as we can tell, electrons are points with precisely zero size that obey the strange rules of the quantum world. One of these particles can influence another through a spooky property called entanglement, for example. Electrons can also tunnel from one place to another without existing in between”. Soit plus particulièrement : « … les électrons sont des points avec une dimension précisément égale à zéro qui obéit aux lois étranges du monde quantique… » Il n’est pas cohérent d’affirmer que l’électron a une dimension égale à zéro, sans être alerté par ce propos. Effectivement l’électron ne peut pas être de dimension égale à zéro car dans ce cas, physiquement il ne serait rien. Il est par contre possible de dire : il nous apparaît comme étant strictement ponctuel mais cela est dû à nos limites de détection, de perception. La dernière fois que j’ai lu une estimation de la dimension d’un électron (il y a 10 ans) c’était 10-18m, soit mille fois plus petit que le proton = 1 fermi. De fait il nous est impossible d’évaluer sa dimension comme je l’ai déjà indiqué car selon mon hypothèse nous sommes limités par un point aveugle TpS, soit 10-18m / C = de l’ordre de 10-26s.
Pour l’auteur de NS il y a interrogation sur le fait que l’électron a deux frères plus lourds. Pourquoi ? Depuis des décennies les physiciens n’ont pas de réponses. Si les anomalies décelées par plusieurs accélérateurs de particules sont prises en compte il devrait y avoir un monde bourdonnant sous la surface de l’électron (sic) – dans ce cas cela nous forcerait à repenser toute la structure constitutive fondamentale de la matière.
Analysons l’autre article publié en français et tentons de retenir l’essentiel de ce qui est annoncé : L’électron défie-t-il le modèle standard ?
« Des indices provenant de trois expériences différentes suggèrent que les électrons et d'autres particules de la même famille violent certaines règles du modèle standard de la physique des particules (sic). Le problème viendrait des électrons (mc2 = 0.5 MeV, on dit couramment et par extrapolation de masse : 0.5MeV, alors que m = 0,911×10-27g) et de ses cousins plus massifs, les muons (105 MeV) et les leptons tau (1776 MeV). D'après le modèle standard, ces trois particules devraient se comporter comme un triplet de particules identiques ne différant que par la masse. Or trois expériences indépendantes ont mis en évidence des indices que ces particules se comportent différemment en raison d’une influence qui reste encore inconnue. Ces conclusions ne sont pas certaines, mais si elles sont confirmées, « cela serait une révolution », explique Mark Wise, de l’institut de technologie de Californie.
La première surprise venant des leptons est apparue dans les résultats obtenus en 2012 par l’expérience BaBar du Centre de l'accélérateur linéaire de Standford (SLAC) en Californie. L'expérience BaBar accélère et fait entrer en collision des électrons avec leurs antiparticules, les positrons. Ces collisions produisent un grand nombre de particules composites, très lourdes mais très instables : elles durent quelques fractions de nanosecondes avant de se décomposer en particules plus petites, et ainsi de suite. Les particules finales sont observées par les détecteurs, ce qui permet aux scientifiques de reconstruire toute la chaîne de désintégration des particules et de remonter aux particules initiales. Si le modèle standard est juste, deux chaînes de désintégrations observées par BaBar devraient produire des particules tau à hauteur de 25 à 30 % du nombre d'électrons, car ces derniers sont plus légers et donc plus faciles à produire. Mais ce n’est pas ce que l’équipe a observé. Les taus étaient beaucoup plus nombreux que prévu, ce qui sous-entend l'existence d'une différence, autre que la masse (sic), entre les leptons taus et les électrons.
Si les différents leptons interagissent vraiment de façon différente, la seule explication serait l’existence d’une force jusqu’ici inconnue. Dans le cadre du modèle standard, les particules massives se désintègrent en leptons (et autres particules) sous l’action de la force faible, cette même force qui est à l’origine de certaines désintégrations radioactives. Mais la force faible agit de la même façon sur tous les leptons. Ainsi, si l’on obtient plus de leptons taus ou muons par rapport à ce que la force faible devrait produire, c’est qu’une autre force inconnue, associée à une particule médiatrice encore inconnue, doit expliquer la désintégration des particules massives de façon à favoriser les particules tau et muons. Prouver l’existence d’une telle force serait une découverte aussi fondamentale que celle de l’électromagnétisme, même si les conséquences sur notre vie quotidienne seraient bien moins importantes. « Cela constituerait clairement, en exagérant à peine, une révolution de la physique », explique Hassan Jawahery, physicien de l’université du Maryland, aux Etats-Unis, et membre de la collaboration LHCb. »
Ces résultats qui interpellent, à juste raison, devraient être aussi questionnés à partir de la connaissance que nous avons des processus de désintégrations des cousins de l’électron, processus qui font intervenir les neutrinos et c’est peut-être à ce niveau que se situe l’étrangeté qui se révèle. En effet voici les différents canaux possibles des désintégrations :
- τ- → µ- + anti νµ + ντ ou 2) τ- → e- + anti νe + ντ
- µ- → e- + anti νe + νµ
La durée de vie moyenne du tau = 290×10-15s et celle du muon = 2×10-6s. Les désintégrations 1) et 2) sont presque équiprobables moyennant un faible écart : 1) = 17,39% et 2) = 17,82% car le muon est plus lourd que l’électron. La désintégration 3) est quasi 100%.
Or ce que nous connaissons des neutrinos est très limité voire biaisé parce que jusqu’à présent on a voulu définir leurs propriétés physiques dans le cadre du modèle standard, ce qui est à mon sens une erreur, notamment en ce qui concerne la nature de leur masse respective avec le postulat que celle-ci serait encapsulée par la relation E = mc2 (voir introduction du blog). En effet la relation concerne la masse d’inertie, or, il n’est pas possible de qualifier celle des neutrinos comme telle, pas plus évidemment d’un point de vue gravitationnelle.
A partir de ces considérations, il est compréhensible que ce soit l’ensemble de la famille des leptons qui soit affecté par ce type de postulat erroné. Partant, c’est l’ensemble de l’édifice des particules de matière auquel appartient les leptons qui devra être reconsidéré. Dans les deux articles l’accent est mis sur le fait que l’électron, la particule la plus stable, la plus commune, la mieux connue…? serait intrinsèquement concernée, renforce selon les auteurs l’étrangeté et le caractère inattendu d’une remise en question. Cela est dû au fait que les physiciens ont en général besoin de stabilité théorique pour prolonger le chemin de leurs découvertes, bien qu’ils sachent que cette stabilité est construite, si elle fertilise en partie, ils n’ont plus l’intention de repenser en arrière le bien-fondé du caractère construit. Il me semble que la physique des neutrinos ne doit pas être réduite aux propriétés physiques des neutrinos pensées dans le cadre du modèle standard, ce qui est pourtant toujours le cas présentement. Affaire à suivre puisqu’il y a du chambardement annoncé dans l’air.
(Article du NewScientist) “What if the diminutive electron isn’t as small as it gets?
We thought electrons and their two mysterious siblings were fundamental particles. Now there are hints that we need to go smaller still to understand matter.
ONE in three people reading these words will do so on a device powered by electrons. To make that possible, we go to incredible lengths: generating electrons in vast power stations, stringing cables across the countryside to bear them to us, and installing sockets in the walls of every room. In short, we depend on them – which makes it a shade embarrassing that we don’t fully grasp what they are.
It’s not just that our best theories paint a strange picture of their nature, although that is true. As far as we can tell, electrons are points with precisely zero size that obey the strange rules of the quantum world. One of these particles can influence another through a spooky property called entanglement, for example. Electrons can also tunnel from one place to another without existing in between.
What is the universe made of? Learn more about particle physics in our expert talk at New Scientist Live in London
But the truly inexplicable thing about the electron is that it has two heavier siblings. The universe would tick along fine without these particles, which never hang around long anyway. So why do they exist? And why are there three siblings, not four or 104?
For decades, physicists have had no answer to these questions, but at last we may be edging towards an understanding. If anomalies at particle accelerators across the globe are to be believed, there may be a hidden world buzzing beneath the surface of the electron – one that would force us to rethink all the fundamental building blocks of matter.
The electron was our first…”
L’électron défie-t-il le modèle standard ? (Article de ‘Pour la Science’)
Des indices provenant de trois expériences différentes suggèrent que les électrons et d'autres particules de la même famille violent certaines règles du modèle standard de la physique des particules.
Depuis des décennies, les physiciens cherchent des signes de comportements étranges chez certaines particules, qui trahiraient des failles subtiles dans le modèle standard de la physique des particules, la théorie dominante décrivant les éléments fondamentaux de l’Univers. Même si l’accord remarquable du modèle standard avec les observations n’est plus à prouver, les scientifiques savent depuis longtemps que des ajustements seront nécessaires. Dans un article publié dans la revue Nature, les chercheurs rapportent des observations qui semblent défier la théorie, mais ces comportements anormaux ne sont pas tout à fait ceux auxquels s’attendaient les théoriciens.
Le problème viendrait des électrons et de leurs cousins plus massifs, les muons et les leptons tau. D'après le modèle standard, ces trois particules devraient se comporter comme un triplet de particules identiques ne différant que par la masse. Or trois expériences indépendantes ont mis en évidence des indices que ces particules se comportent différemment en raison d’une influence qui reste encore inconnue. Ces conclusions ne sont pas certaines, mais si elles sont confirmées, « cela serait une révolution », explique Mark Wise, de l’institut de technologie de Californie.
Des signes alléchants
Un bouleversement dans le modèle standard serait un événement spectaculaire. Cette théorie est la matrice de la recherche en physique des particules depuis son développement durant la seconde moitié du XXe siècle. Elle décrit l’Univers avec seulement douze particules élémentaires qui forment toute la matière, plus des particules médiatrices des quatre forces fondamentales de la nature (par exemple, la force électromagéntique correspond à un échange de photons). Malgré son succès, cependant, le modèle standard échoue à expliquer la gravitation ou la matière noire (qui représente 25 % du contenu de l’Univers). Pour concilier la physique des particules avec ces observations à grande échelle, les théoriciens ont proposé toutes sortes de « nouvelles physiques » – des théories qui ajoutent des particules ou des forces au zoo du modèle standard. Mais pour l’instant, la plupart des expériences concordent avec les prédictions du modèle standard avec une précision impressionnante et aucun indice de ces hypothétiques particules ou forces n’a pu être mis en évidence.
Cependant, depuis 2012, des signes de comportements anormaux de certaines particules ont commencé à émerger d'une partie moins étudiée du modèle standard surnommée « l’universalité leptonique ». Les leptons sont une classe de particules de moment angulaire intrinsèque (ou spin) 1/2 et non sensibles à l'interaction forte, qui comprend les électrons, les muons et les leptons tau (ou tauons). Selon le modèle standard, ces trois espèces devraient interagir de la même façon entre-elles et avec les autres particules à l'exception des différences attribuables à leurs masses distinctes. Cette similitude correspond à l’universalité leptonique.
La première surprise venant des leptons est apparue dans les résultats obtenus en 2012 par l’expérience BaBar du Centre de l'accélérateur linéaire de Standford (SLAC) en Californie. L'expérience BaBar accélère et fait entrer en collision des électrons avec leurs antiparticules, les positrons. Ces collisions produisent un grand nombre de particules composites, très lourdes mais très instables : elles durent quelques fractions de nanosecondes avant de se décomposer en particules plus petites, et ainsi de suite. Les particules finales sont observées par les détecteurs, ce qui permet aux scientifiques de reconstruire toute la chaîne de désintégration des particules et de remonter aux particules initiales. Si le modèle standard est juste, deux chaînes de désintégrations observées par BaBar devraient produire des particules tau à hauteur de 25 à 30 % du nombre d'électrons, car ces derniers sont plus légers et donc plus faciles à produire. Mais ce n’est pas ce que l’équipe a observé. Les tauons étaient beaucoup plus nombreux que prévu, ce qui sous-entend l'existence d'une différence, autre que la masse, entre les leptons taus et les électrons.
Les résultats de l’expérience BaBar n’étaient qu’un début. Deux autres expériences, LHCb au LHC en Suisse, et Belle, au Japon, ont étudié les mêmes chaînes de désintégration et ont obtenu des résultats similaires en 2015. Belle, comme BaBar, scrute des collisions d’électrons et de positrons. Mais l'expérience LHCb observe des collisions protons-protons à des énergies plus élevées, avec d’autres méthodes de détection. Ces différences dans les dispositifs rendent moins probable que les résultats ne soient que le fruit d’erreurs expérimentales, étayant ainsi la possibilité que cette anomalie soit bien réelle.
En outre, l’expérience LHCb avait aussi mis en lumière des indices de la violation de l’universalité leptonique lors de l’étude d’une autre chaîne de désintégration produisant des leptons. Et il y a quelques mois,, l'équuipe a annoncé avoir mesuré des anomalies potentielles dans une quatrième chaîne de désintégration. Une disparité similaire entre les électrons et cette fois-ci les muons a également été découverte le mois dernier. Tous ces indices démontrent que quelque chose ne tourne pas rond dans le modèle actuel. « Si ces déviations se confirment », explique Michael Roney, porte-parole de l’expérience BaBar et professeur à l’université de Victoria, « cela serait très étrange qu’elles ne soient pas liées entre elles. »
Une révolution... si les faits sont avérés
Si les différents leptons interagissent vraiment de façon différente, la seule explication serait l’existence d’une force jusqu’ici inconnue. Dans le cadre du modèle standard, les particules massives se désintègrent en leptons (et autres particules) sous l’action de la force faible, cette même force qui est à l’origine de certaines désintégrations radioactives. Mais la force faible agit de la même façon sur tous les leptons. Ainsi, si l’on obtient plus de leptons taus par rapport à ce que la force faible devrait produire, c’est qu’une autre force inconnue, associée à une particule médiatrice encore inconnue, doit expliquer la désintégration des particules massives de façon à favoriser les particules tau. Prouver l’existence d’une telle force serait une découverte aussi fondamentale que celle de l’électromagnétisme, même si les conséquences sur notre vie quotidienne seraient bien moins importantes. « Cela constituerait clairement, en exagérant à peine, une révolution de la physique », explique Hassan Jawahery, physicien de l’université du Maryland, aux Etats-Unis, et membre de la collaboration LHCb.
Les enjeux sont si importants que les physiciens réclament des preuves irréfutables – et ceux qui réalisent les expériences en ont pleinement conscience. Greg Ciezark, auteur principal de l’article paru dans Nature et post-doctorant à l’institut national Nikhef de physique subatomique, à Amsterdam, précise que les violations de l’universalité « font partie des affirmations extraordinaires », ce qui implique, selon l’adage, des preuves extraordinaires. Pour l’instant, Michael Roney résume bien le scepticisme ambiant : « on ne parie pas contre le modèle standard. »
Aujourd’hui, les indices commencent à devenir consistants. Quand on combine toutes les données, la probabilité que les déviations dans la production de particules taus et d’électrons soient uniquement dues au hasard est d’environ un pour 10 000. Pour n’importe quelle question de la vie quotidienne, cela serait plus que suffisant. Mais les physiciens des particules aiment être très prudents : ils ne considèrent une découverte comme confirmée que s'il y a moins d'une chance sur 3,5 millions que ce soit une fausse alerte. Comme certains scientifiques « expérimentés » peuvent en témoigner, ils se sont déjà fait avoir plusieurs fois, explique Zoltan Ligeti, professeur en physique théorique au laboratoire américain Lawrence Berkeley : « nous avons déjà observé des fluctuations similaires apparaître puis s'évanouir par le passé ».
Cette découverte est d’autant plus étonnante que l’universalité leptonique n’est absolument pas le secteur du modèle standard où les scientifiques s’attendaient à trouver des failles. « Il y a une sorte de fil conducteur auquel les théoriciens se rattachent », explique Mark Wise, et « ceci ne fait pas partie du déroulement anticipé ». Pire encore, les explications proposées pour le comportement des leptons semblent ad hoc et peu satisfaisantes. « À première vue, le type de modèle qui peut reproduire les anomalies n’explique... rien d’autre », précise Zoltan Ligeti. « Par exemple, il ne nous aidera pas à comprendre ce que peut être la matière noire. »
Il ajoute cependant que « c’est la nature qui nous dit ce qu’elle est ». Faire des expériences est donc la clé. Les physiciens observent de plus en plus d’indices de violations au sein du modèle standard et proposent de nouvelles explications. Les expérimentateurs, mais aussi les théoriciens, essaient aussi de réduire les incertitudes qui existent encore dans les différentes mesures. Il faudra probablement attendre les nouvelles données de l’expérience LHCb et celles de la version améliorée de l’expérience Belle. Les physiciens sont optimistes et pensent que d'ici cinq ans environ, nous saurons si l’effet observé est réel et nous connaîtrons son origine. « S’il existe une nouvelle particule médiatrice », explique Svjetlana Fajfer, une théoricienne de l’université de Ljubljana en Slovénie, « elle devrait avoir une masse à la portée du LHC ». En d’autres termes, l’accélérateur de particules devrait être capable de produire cette particule et de l’identifier. Pour beaucoup de physiciens, la possibilité de tester cette idée est séduisante. « Cela rend la chose très excitante. Si je fais quelque chose, cela pourra être confirmé ou réfuté. Dans un sens comme dans l’autre, l’affaire sera close », conclut Zoltan Lige
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