STEM News : Les muons et le modèle standard de la physique des particules

Modèle standard

Le modèle standard de la physique des particules est une théorie construite comme un modèle pour les blocs de construction de base, ou particules fondamentales, de toute matière. Ces particules fondamentales sont régies par 4 forces fondamentales. Le modèle standard utilise 3 des 4 forces fondamentales et les particules fondamentales pour prédire les occurrences et expliquer presque tous les résultats expérimentaux.

Particules fondamentales

Les particules fondamentales sont les éléments constitutifs de toute matière et sont classées en quarks ou en leptons. Les deux groupes sont constitués de 6 paires de particules apparentées, appelées générations. La première génération est constituée des particules les plus légères et les plus stables. Chaque génération est plus lourde et moins stable que la précédente. Au fil du temps, les particules moins stables se désintègrent pour devenir plus stables et toute la matière stable est constituée de particules de première génération.

Quarks

Les 6 quarks sont appariés avec le "quark up" (u) et le "quark down" (d) dans la première génération, le "quark charmant" (c) et le "quark étrange" (s) dans la deuxième génération, et le "quark top" (t) et le "quark bottom" (b) dans la troisième génération. Les quarks ont également trois couleurs différentes qui se mélangent et s'annulent pour former des objets incolores.

Leptons

Les six leptons sont appariés de manière similaire. Dans la première génération, on trouve l'"électron" (e) et le "neutrino de l'électron" (𝜈e), dans la deuxième génération, le "muon" (𝜇) et le "neutrino du muon" (𝜈𝜇), et dans la troisième génération, le "tau" (𝜏) et le "neutrino du tau" (𝜈𝜏). L'électron, le muon et le tau ont tous des charges électriques et une masse notable tandis que leurs paires, les neutrinos, ont une faible masse et sont électriquement neutres.

Les forces fondamentales

L'univers est contrôlé par 4 forces fondamentales. La force forte, la force faible, la force électromagnétique et la force gravitationnelle. Chacune de ces forces a une force et une portée d'influence différentes. La gravité est la force la plus faible et sa portée est infinie. La force électromagnétique (qui implique des champs électriques et magnétiques) a également une portée infinie, mais elle est beaucoup plus forte que la gravité. La force forte (qui lie les noyaux atomiques) et la force faible (qui provoque des réactions nucléaires) ont toutes deux une courte portée et, si la force forte est la plus forte de toutes les forces fondamentales, la force faible est plus forte que la gravité.

La force forte, la force faible et la force électromagnétique font toutes partie du modèle standard. Bien que la gravité soit incluse dans la théorie quantique et la théorie de la relativité, elle ne s'inscrit pas mathématiquement dans le cadre du modèle standard. En physique des particules, l'effet de la gravité est si faible qu'il n'a pas d'impact suffisant sur les expériences pour discréditer complètement le modèle standard. Les 3 forces fondamentales incluses proviennent de bosons. Les bosons sont des particules porteuses de force qui transfèrent des quantités discrètes d'énergie entre elles. La force forte est contrôlée par le "gluon" (g), la force faible est contrôlée par les bosons "W et Z" (w, z), et la force électromagnétique est contrôlée par les "photons" (𝛾).

Erreurs et limites du modèle standard

Bien que le modèle standard soit le meilleur modèle du monde subatomique, il lui manque encore plusieurs éléments clés. Outre l'absence de calcul de la gravité (et des gravitons, la particule fondamentale hypothétique qui en est la cause), le modèle ne répond pas aux questions sur la matière noire, l'antimatière et le boson de Higgs. Bien que le Boson de Higgs ait été théorisé par le modèle standard, il n'a pas encore été prouvé. Récemment, un fort magnétisme a été découvert autour du muon. La découverte révolutionnaire de l'expérience Muon g-2 pourrait suggérer que le modèle standard est incomplet et si la divergence est prouvée, ce serait la première fois depuis sa création que le modèle standard n'a pas réussi à prédire un phénomène. La supersymétrie (SUSY) est une théorie non prouvée qui pourrait expliquer le magnétisme du muon. Si la théorie de la supersymétrie était prouvée, elle constituerait une explication plausible des phénomènes du muon et de la matière noire récemment découverts. Au laboratoire du LCB, les physiciens ont également découvert d'autres indices d'anomalies dans le comportement attendu des muons. Selon le modèle standard, les muons sont censés être produits à un rythme égal à celui des électrons ; or, les données montrent que ce n'est pas le cas. Parmi les théories hypothétiques qui expliquent les données des expériences LCB et g-2, on trouve le modèle du leptoquark et le boson Z'. Au fur et à mesure que les données des deux expériences seront publiées, le modèle standard pourrait être confirmé ou réfuté.

Sources:

1. Le modèle standard: https://home.cern/science/physics/standard-model

2. DOE Explains...the Standard Model of Particle Physics (Département américain de l'énergie ; Bureau des sciences) : https://www.energy.gov/science/doe-explainsthe-standard-model-particle-physics

3. Quelle est la prochaine étape pour le modèle standard de la physique ? Les résultats des muons sèment la confusion dans les théories (Nature): https://www.nature.com/articles/d41586-021-01033-8

Translated to French by Samantha Donato