Le Modèle Standard

Avant d'explorer en détail l'histoire de l'univers, il nous faut faire un détour par l'infiniment petit : pour comprendre les débuts d'un univers très chaud et très dense, il est nécessaire de savoir quels peuvent en être les constituants et comment ils se comportent. C'est ce que s'attache à décrire le modèle standard.

Le cadre théorique du modèle standard est la théorie quantique des champs qui permet de décrire les interactions fondamentales des particules élémentaires en respectant les principes de la relativité restreinte et ceux de la mécanique quantique.

D'après la mécanique quantique, pour observer une structure microscopique, il est nécessaire de lui transférer une énergie, d'autant plus élevée que la résolution souhaitée est élevée.
Mais d'après la théorie de la relativité, ce transfert d'énergie peut se transformer en l'apparition de particules qui n'étaient pas présentes dans l'état initial : les fermions - constituants de la matière - peuvent être produits ou annihilés par paires particule/antiparticule, les bosons - messagers des forces - peuvent l'être en nombre arbitraire.

Les forces en présence

Il existe quatre forces fondamentales dans l'univers :

• la première, qui nous est la plus familière, est la gravitation ;
• vient ensuite l'interaction électromagnétique qui se manifeste sous la forme de l'électricité, du magnétisme, ou des ondes à toutes les fréquences.
  Contrairement à la précédente, cette force peut être attractive ou répulsive, mais sa portée, comme celle de la gravitation, est infinie.
• l'interaction nucléaire faible gouverne les processus de la radioactivité, mais ne s'exerce qu'à des distances extrêmement courtes, de l'ordre de la taille d'un électron ( 10-18 mètre) ;
• enfin la force nucléaire forte permet aux noyaux atomiques de ne pas se désagréger, malgré les forces électrostatiques de répulsion entre les constituants. Sa portée se limite à la taille d'un proton ou d'un neutron ( environ 10-15 mètre )

A grande distance, seules la gravitation et l'électromagnétisme peuvent jouer un rôle. Toutefois, l'univers étant globalement neutre, l'interaction électromagnétique, de par son caractère à la fois répulsif et attractif, finit par s'annuler.
C'est pourquoi la gravitation est la force prédominante de l'univers.

La famille des particules

Historiquement, lorsqu'on s'est aperçu que l'atome n'était pas indivisible, on a d'abord mis en évidence deux types de particules : les neutrons et les protons d'une part, qui constituent le noyau atomique, et l'électron, beaucoup plus léger, dont on peut dire grossièrement qu'il orbite autour du noyau.

Dès les années 1930, d'autres particules, les muons, furent découvertes dans les rayons cosmiques. Les muons ressemblent beaucoup aux électrons, mais en deux cent fois plus lourd.

Dans les années 1950, et suite aux prédictions de Wolfgang Pauli, les neutrinos ont été découverts : ce sont des particules extrêmement légères, si tant est qu'elles aient une masse, et qui interagissent très peu avec la matière.

En 1968, grâce aux accélérateurs linéaires, on s'est aperçu que neutrons et protons étaient en fait composés de "briques" plus élémentaires, que l'on a baptisé quark. Deux variétés furent découvertes : le quark u (pour up) et le quark d (pour down).

En augmentant encore l'énergie dans les accélérateurs, donc la masse des particules accessibles, quatre autres types de quarks furent découverts : le c (charmed), le s (strange), le t (top) et le b (bottom). Remarquez que le nom donné à ces particules n'a absolument aucune signification physique.
Chacun de ces quarks apparaît en trois variétés dénommées rouge, vert et bleu, correspondant à une charge particulière de l'interaction nucléaire forte. Encore une fois, le nom n'a aucun rapport avec les couleurs habituelles, il s'agit juste d'une convention.

De tout cet ensemble de découvertes, on a pu tirer un certain schéma parmi ces particules. Celles ci sont organisées en trois groupes, appelés familles

Fermions : constituants de la matière
1ère famille		2ème famille		3ème famille		E	F	C
électron	0,511	muon	106	tauon	1784	-1	-½	0
neutrino électronique	0?	neutrino muonique	0?	neutrino tauonique	0?	0	½	0
quark u	5	quark c	1300	quark t	174.000	2/3	½
quark d	10	quark s	200	quark b	4300	-1/3	-½

Tableau comparatif des familles de particules élémentaires.
A coté de chaque particule est indiquée sa masse en Mev/c².

La colonne E indique la charge électromagnétique de la particule,
la colonne F sa charge faible,
la colonne C sa charge de couleur (interaction forte)

A chacune de ces particules, correspond également une antiparticule de même masse, mais de charge électrique opposée.
L'antiparticule d'un électron, par exemple, appelée positron, possède la même masse, mais une charge électrique positive.

De même, la mécanique quantique, et plus précisément la théorie des champs, indique qu'une force entre deux particules ne peut avoir lieu qu'au travers d'un échange de particules, dites virtuelles.
A chaque interaction, correspond donc une particule messager, du type boson - par opposition aux fermions.
Il faut noter que, si le photon ne porte pas de charge électromagnétique, les bosons W± et les gluons sont eux porteurs de charge de l'interaction qu'ils véhiculent.

L'existence du graviton est encore hypothétique.

Le modèle standard consiste en un ensemble d'algorithmes, basés sur la théorie des perturbations, permettant de calculer, par approximations successives, a l'aide d'un nombre fini et fixe de paramètres déterminés expérimentalement, les probabilités des réactions des leptons et des quarks, du photon et des bosons intermédiaires en interactions électromagnétique et faible (théorie électrofaible), et les probabilités des réactions des quarks et des gluons en interaction forte à grande énergie (Chromodynamique Quantique, QCD).

Le modèle standard a passé avec succès tous les tests expérimentaux auxquels il a été soumis. Il a permis d'anticiper de très nombreuses découvertes expérimentales, comme l'existence des quarks, des gluons ou des bosons W± et Zo.
Toutefois, ce modèle laisse apparaître un certain nombre de faiblesses, en particulier :

• les paramètres du modèle, comme les masses des particules, sont en grand nombre, sans relation entre elles,
• il ne donne aucune indication sur la masse des neutrinos,
• il ne permet pas de traiter la gravitation,
• il n'explique pas pourquoi la force forte est de portée si limitée, alors que les gluons sont de masse nulle : en effet la portée d'une force est en principe d'autant plus grande que la masse du boson vecteur est faible.

L'unification des forces

Pour les physiciens des particules, quatre forces, c'est beaucoup. Et le rêve pour tous, ce serait d'arriver à montrer que ces quatre forces ne sont que quatre aspects différents d'une seule et unique force.

Dans les années soixante-dix, plusieurs physiciens - en particulier Steven Weinberg, Abdus Salam et Sheldon Glashow - présente une hypothèse alors audacieuse : la force électromagnétique et la force faible ne seraient qu'une seule et même force. Cette hypothèse a été confirmée expérimentalement par la découverte des bosons W± et Zo et des "échanges" entre particules.

Pour obtenir cette identification entre les deux forces, il faut travailler à des énergies sans commune mesure avec notre monde habituel : il faut se trouver à une énergie équivalente à une température de 1015 K pour y parvenir, soit environ cent mille fois la température du centre du Soleil.

En extrapolant ce résultat, les théories dites de grande unification prévoient qu'à une énergie équivalente à 1028 K, les forces électrofaibles et nucléaires fortes ne formeraient plus qu'une. Un tel domaine est bien au delà de la portée des accélérateurs de particules actuels, et ces théories restent encore à écrire.
Et en continuant encore, la "théorie du tout" prévoit une unification avec la gravitation, mais à une énergie dite énergie de Planck, équivalente à 1032 K.

Bien sur, les quatre forces se présentent actuellement sous des formes distinctes, et nous sommes incapables de recréer cette unification avec nos moyens technologiques, mais la situation a pu être différente pendant les débuts de notre univers, si celui-ci a été suffisamment chaud.