Qu'est-ce que le modèle standard de la physique des particules ?

Le modèle standard de la physique des particules est le cadre théorique qui décrit, à l’échelle de l’infiniment petit, les constituants fondamentaux de la matière et trois de leurs interactions : l’électromagnétisme, l’interaction forte et l’interaction faible. Élaboré progressivement dans les années 1960 et 1970, il repose sur la mécanique quantique et la théorie quantique des champs. Ses prédictions ont été confrontées à un très grand nombre d’expériences, notamment dans les accélérateurs de particules, avec une remarquable réussite. Il ne constitue toutefois pas une théorie complète de toutes les interactions connues, car la gravité n’y est pas intégrée.

Les particules de matière

Le modèle standard classe les particules de matière parmi les fermions, qui obéissent au principe d’exclusion de Pauli. Ils se répartissent en six quarks et six leptons, organisés en trois générations. Les quarks sont les quarks up, down, charm, strange, top et bottom. Ils portent une charge de couleur et sont soumis à l’interaction forte ; en raison du phénomène de confinement, ils ne sont normalement pas observés isolément. Associés en différentes combinaisons, ils forment notamment les protons et les neutrons. Les leptons comprennent l’électron, le muon, le tau et trois neutrinos associés. L’électron intervient dans la structure des atomes et les phénomènes électriques, tandis que les neutrinos interagissent très faiblement avec la matière. À chaque particule est associée une antiparticule de même masse, mais dont certaines charges quantiques sont opposées.

Trois interactions et leurs médiateurs

Les interactions décrites par le modèle standard sont transmises par des bosons. Le photon est le médiateur de l’électromagnétisme, interaction qui agit notamment entre les particules chargées et qui est à l’origine des phénomènes électriques, magnétiques et chimiques. L’interaction faible est portée par les bosons W+, W− et Z0 ; elle intervient par exemple dans la désintégration bêta et dans certaines réactions nucléaires. L’interaction forte est décrite par la chromodynamique quantique et fait intervenir huit types de gluons, qui agissent sur les quarks porteurs d’une charge de couleur. Elle assure la cohésion des quarks à l’intérieur des protons et des neutrons ; une manifestation résiduelle de cette interaction contribue aussi à la cohésion des noyaux atomiques. Le modèle standard ne comprend pas la gravité. Le graviton est parfois invoqué dans des théories quantiques de la gravitation, mais il demeure une particule hypothétique et ne fait pas partie du modèle standard.

Le champ de Higgs et les limites du modèle

Le modèle standard comprend également le mécanisme de Higgs. Selon cette description, un champ de Higgs présent dans tout l’espace interagit avec certaines particules élémentaires : cette interaction contribue notamment à donner leur masse aux bosons W et Z ainsi qu’aux quarks et aux leptons chargés. Le boson de Higgs est une excitation quantifiée de ce champ. Sa découverte au Grand collisionneur de hadrons, annoncée en 2012 par les collaborations ATLAS et CMS, a confirmé une prédiction formulée plusieurs décennies auparavant. Il faut cependant éviter d’attribuer au seul champ de Higgs toute la masse de la matière ordinaire : la plus grande partie de la masse des protons et des neutrons provient de l’énergie associée à l’interaction forte qui lie leurs constituants. Malgré ses succès expérimentaux, le modèle standard laisse plusieurs questions ouvertes. Sa version minimale ne rend pas compte de la masse des neutrinos révélée par les oscillations, et il n’explique ni la matière noire ni l’accélération de l’expansion de l’Univers. Surtout, il ne fournit pas de description quantique de la gravité, ce qui en fait une théorie extrêmement efficace dans son domaine, mais incomplète comme description de l’ensemble de la nature.