Au tableau Étienne Klein ! Diffusé le

La masse des particules

Le physicien Étienne Klein se livre à l'exercice du tableau blanc et bouleverse nos idées reçues sur la masse des particules.

Un épisode de la série "Au tableau Étienne Klein !".

Réalisation : Roland Cros

Production : Universcience

Année de production : 2010

Durée : 5min55

Accessibilité : sous-titres français

La masse des particules

AU TABLEAU ! Étienne Klein

Aujourd'hui nous allons nous intéresser à la l'origine de la masse des particules. D'où vient que les particules ont une masse non nulle ? Alors pendant très longtemps, on a considéré que la masse des objets était une propriété intrinsèque des objets. Un électron possède en propre sa masse. Pareil pour notre corps, par exemple, qui a une masse qui vient du fait que il y a une sorte de correspondance directe entre la notion de substance et la notion de masse. Toute substance est massive. Or, cette idée est contestée par les physiciens aujourd'hui qui se demandent si les particules n'auraient pas une masse du fait qu'elles interagissent avec ce qu'on appelle le vide. Autrement dit, la masse des particules ne serait pas une propriété des objets, mais résulterait de l'interaction d'objets de masse nulle avec le vide. Alors pour comprendre cette idée, il faut revenir à ce qu'on appelle le « modèle standard » de la physique des particules. Les particules sont soumises à des forces, à des interactions qui sont au nombre de trois : il y a l'interaction électromagnétique, il y a les interactions nucléaires au nombre de deux, l'une qu'on appelle la faible, l'autre qu'on appelle la forte, et puis il y a une quatrième force qui est la gravitation mais qui est négligeable parce que très peu intense, très peu puissante à l'échelle où nous étudions aujourd'hui les particules. Et ces trois interactions qui sont importantes pour elles sont décrites dans le modèle standard grâce à des concepts mathématiques qui utilisent notamment la notion de symétrie. Donc on décrit les interactions en les associant à ce qu'on appelle des groupes de symétrie. Tout ça est très abstrait. Mais ce qui est intéressant c'est que les implications du modèle standard sont que, d'après lui, toutes les particules devraient avoir une masse nulle. Autrement dit, toutes les particules devraient être comme le photon. Le photon, le grain de lumière dont on sait qu'il est sans masse. Et donc, il y a une sorte de contradiction entre l'observation, la mesure, qui nous dit que la plupart des particules ont une masse non nulle et le modèle standard qui nous dit que toutes les particules devraient être sans masse. Et pour résoudre cette contradiction, un certain nombre de physiciens, dont l'un qui s'appelle Peter Higgs, physicien écossais, ces physiciens ont proposé dans les années 60 une idée qui pourrait complètement changer la façon dont nous comprenons la masse des particules. L'idée de Peter Higgs est la suivante : c'est de dire qu'en fait, les particules élémentaires (l'électron, les quarks par exemple) n'ont pas de masse. Simplement, elles interagissent avec leur environnement d'une façon telle qu'elles acquièrent, à nos yeux, une masse non nulle. Pour comprendre cette idée il suffit d'imaginer que vous êtes présent dans un cocktail, par exemple. Autour de vous, certains collègues sont présents, discutent, et à un moment donné vous décidez de partir. Vous décidez de partir et ça vous amène à rencontrer, à saluer des gens que vous n'aviez pas rencontrés jusque là. Vous les saluez, vous discutez avec eux, et donc ils vont ralentir votre mouvement. En quittant le cocktail, vous allez vous déplacer moins rapidement que vous ne marchez dans la rue lorsque vous êtes tout seul par exemple. Et donc ces interactions avec vos collègues vont vous conférer de l'inertie, vont vous ralentir et donc vont vous donner l'apparence d'une masse. Eh bien, l'idée de Peter Higgs, c'est que les particules sont constamment dans un cocktail. Elles sont constamment en train d'interagir avec des collègues qui, en l'occurrence s'appellent les « bosons de Higgs », qui sont des particules dont on n'a jamais prouvé l'existence jusqu'à maintenant, qui seraient responsables de la masse des autres particules. Et donc on a construit, pour vérifier cette idée, une gigantesque machine qui s'appelle le LHC, Large Hadron Collider, qui va, dans les semaines et les mois qui viennent, voir si ces bosons de Higgs existent bel et bien. Et l'idée, si vous voulez ça serait que, du coup, depuis Newton, nous nous trompons sur l'origine de la masse. La masse n'est pas une propriété des objets, mais une propriété qui résulte de leur interaction avec le vide. Ce vide n'est pas vide. Il est peuplé de bosons de Higgs, ou d'une façon plus générale de ce qu'on appelle un champ de Higgs. Il faut donc imaginer que l'espace est confituré par une espèce de champ, de colle qui fait que les particules ont une cuillère, qu'elles vont tremper plus ou moins dans la colle, et c'est cette interaction avec la colle, le champ de Higgs, qui va ralentir leur mouvement et leur donner l'apparence d'une masse. Et plus la cuillère sera plongée profondément et plus la particule sera massive. Autrement dit, les particules légères comme l'électron interagissent faiblement avec le champ de Higgs, rencontrent peu de bosons de Higgs. Les particules plus lourdes, elles, interagissent plus fortement avec les champs de Higgs et c'est ça qui leur donne une masse plus élevée. Et donc la question de l'origine de la masse devrait être résolue dans les années qui viennent, disons, grâce aux expériences qui démarrent aujourd'hui et qui vont être menées dans toutes les années qui viennent auprès de ce grand collisionneur de particules. Donc la question de l'origine de la masse est une question dont la réponse sera bientôt connue.

Réalisation : Roland Cros

Production : Universcience

Année de production : 2010

Durée : 5min55

Accessibilité : sous-titres français