Edition du lundi 22 janvier 2018

Voyage au cœur de la matière : mesurer l’infiniment petit

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Le LHC du CERN illustre bien la nécessité d’appareil de plus en plus grands pour sonder l’infiniment petit.
Shellac/Flickr, CC BY-SA

Francois Vannucci, Université Paris Diderot – USPC

Si je vous demandais de me dire ce qu’est un nanomètre, vous me répondriez sans doute qu’il s’agit d’une unité de mesure de longueur. Bon, le suffixe mètre peut mettre une petite puce à l’oreille.

Vous imagineriez peut-être une unité très petite, la taille d’un cheveu ? Vous seriez loin du compte. Un cheveu atteint 50 à 100 micromètres, presque un dixième de millimètre, on le voit à l’œil nu.

Nouvelle estimation : les poussières fines qui polluent l’air ambiant. Encore trop gros par plusieurs ordres de grandeur. On reste au-dessus du micromètre.

Descendons en parlant de la taille des nanoparticules. De plus en plus présentes dans les cosmétiques et l’alimentation, celles dont on nous promet monts et merveilles en médecine. Oui, on parle ici effectivement de dimensions entre 1 et 100 nanomètres : un milliardième de mètre.

Le tableau périodique des éléments : il représente tous les atomes connus.
Scaler,Michka B/Wikipedia, CC BY

Zoomons encore un peu dans la matière jusqu’à l’atome. Encore plus petit, puisque le nom atome vient du grec qui signifie indivisible, le plus petit grain de matière en somme. L’atome représente un point limite de l’infiniment petit. Ou plutôt représentait. C’était le point de vue du XIXe siècle qui recensa dans la table de Mendeleiev tous les atomes existant dans l’univers. La taille se chiffre ici à quelques dixièmes de nanomètre : 100 picomètres. Ce n’est pas grand, mais on sait aujourd’hui disséquer l’atome, même si l’appellation devenue inappropriée a été conservée.

De l’atomique au nucléaire

Certes, l’atome est minuscule, mais l’exploration de l’infiniment petit ne s’arrête pas en si bon chemin. Dès 1911, Rutherford démontra que l’atome est structuré avec des électrons, portant une charge électrique élémentaire, qui gravitent autour d’un noyau, et ce noyau mesure quelques femtomètres (un millième de picomètre). Sa taille comparée à celle de l’atome équivaut à un petit pois au pied à la Tour Eiffel ! La matière est donc pleine de vide : il n’y a rien entre le noyau et les électrons de l’atome.

Aide mémoire des noms des sous multiples du mètre.

Allons plus loin. Le noyau lui-même n’est pas simple ; il se compose de particules appelées nucléons qui se présentent sous forme de protons de charge élémentaire +e (opposée à la charge -e de l’électron), et de neutrons, neutres bien sûr, ayant la taille du femtomètre.

Tous les éléments naturels se comprennent comme un assemblage compact de protons et neutrons en nombres croissants quand on gravit la table de Mendéleiev, et la physique nucléaire se cantonne à l’étude de ces noyaux.

Mais les nucléons sont eux-mêmes composés de constituants encore plus élémentaires qu’on nomme quarks. Les quarks u et d, qui portent des charges non-entières +2/3e et -1/3e respectivement, se retrouvent en triplets uud et udd pour former protons et neutrons, ce qui restitue bien les charges connues.

Des charges non-entières ne se détectent pas librement : les quarks existent mais toujours liés sous forme de particules « réelles » qui répondent à l’assemblage de trois quarks pour les nucléons déjà vus mais aussi d’autres particules similaires. Ils peuvent aussi se combiner en paires quark-antiquark et cela donne les particules appelées mésons.

Les quarks ont été introduits dans les années 1960 pour comprendre la multitude de particules révélées aux accélérateurs, on en répertoriait plus de 200 espèces et toutes s’expliquent simplement à partir de trois quarks différents u, d et s.

L’infiniment petit

Et ici s’introduit une nouvelle unité, l’attomètre : un millième de femtomètre. C’est la taille limite supérieure des quarks trouvés en bout de chaîne, ainsi que des électrons. Limite supérieure, c’est-à-dire que dans l’exploration de l’infiniment petit, on ne sait plus mesurer, on ne peut décider si la taille finale de ces objets est 10-21m ou 10-35m.

Le XXe siècle a donc vu une fantastique évolution dans notre connaissance de la matière. On distingue aujourd’hui des détails de la structure matérielle cent millions de fois plus fins qu’au début du siècle dernier. Ceci est remarquable, mais le progrès à venir pourrait être beaucoup moins rapide.

La règle d’or pour sonder la matière est simple : il faut la bombarder avec des sondes de plus en plus énergiques pour révéler des détails de plus en plus fins. Les progrès du siècle passé découlent du développement des accélérateurs. Aujourd’hui, le plus performant donne aux protons des énergies dix millions de fois supérieures à celle de la sonde qu’utilisa Rutherford en exploitant les désintégrations naturelles. On rêve de machines encore plus puissantes, mais un gain supplémentaire demanderait un effort gigantesque.

Les constituants élémentaires

Alors où en est-on ? Trois quarks différents u, d et s furent introduits dans les années 1960. Puis les physiciens augmentèrent peu à peu cette liste, on découvrit c en 1974, b en 1977 et t en 1995. Et accompagnant les six quarks, la liste des constituants se complète avec six autres objets appelés leptons. En effet l’électron est suivi de deux grands frères : le muon μ reconnu dès 1947 et le tau τ découvert en 1975. Ces trois leptons portent tous la charge –e, il faut leur associer trois leptons sans charge appelés neutrinos, chaque lepton chargé ayant le sien : νe, νμ et ντ. On a l’habitude de regrouper ces douze objets en trois familles :

u c t
d s b
e μ τ
νe νμ ντ

Six quarks et six leptons, on sait aujourd’hui que la liste est complète, il n’y a plus rien à espérer sur ce front. Mais cette table amène à quelques commentaires.

Tout d’abord, seule la première colonne suffit pour rendre compte de toute la matière ordinaire qui compose l’Univers. La nécessité des autres constituants n’est pas entièrement élucidée.

Ensuite, ceci n’est qu’une partie de l’histoire car cette table des constituants se double de celle des anti-constituants. En effet, à côté de l’électron, on découvrit dès 1932 l’antiélectron ou positron. Les caractéristiques sont identiques à l’exception de la charge +e opposée. Ceci se généralise à tous les constituants. L’antimatière existe bien, mais dans notre Univers de matière, toute trace disparaît très rapidement car l’antimatière s’annihile en rencontrant l’objet antagoniste. Cela amène à un grave dilemme : où est passée l’antimatière, puisque le Big Bang qui est à l’origine de tout contenait autant de matière que d’antimatière.

Fin de partie ou prolongation ?

La recherche se poursuit activement et récemment le boson de Higgs s’est révélé. Car à côté des objets qui construisent la matière, d’autres objets élémentaires expliquent leurs interactions. Ces messagers sont les photons de l’interaction électromagnétique, les W± et Z0 des interactions faibles, les gluons des fortes et peut-être les gravitons après la découverte récente des ondes gravitationnelles.

Le boson de Higgs à l’origine des masses couronne la théorie sous-jacente qui explique dans les moindres détails les comportements réciproques entre tous ces objets.

The ConversationOn devrait être rassasié, néanmoins la recherche explore toujours l’inconnu et on aimerait trouver des signes de « Nouvelle Physique » qu’on soupçonne grâce à de vertigineuses énigmes détectées sur le front de la cosmologie. Mais jusqu’à présent, la quête reste infructueuse.

Francois Vannucci, Professeur émérite, chercheur en physique des particules, spécialiste des neutrinos, Université Paris Diderot – USPC

La version originale de cet article a été publiée sur The Conversation.

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