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Science

L'Univers va-t-il disparaître?

Par Pierre Sormany - 26/06/2015
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La découverte du boson de Higgs, en juillet 2012, a couronné une quête expérimentale qui durait depuis plus de 50 ans. Mais loin de signer la fin de la recherche en physique des particules, elle a plutôt ouvert un monde plein d’inconnues et de remises en question. C’est ce que croit le chercheur Yves Sirois qui nous livre un état des lieux de la physique d’aujourd’hui.

« On commence tout juste à comprendre à quel point la découverte du boson de Higgs, avec la masse qu’on lui a trouvée, remet toute la physique en question», laisse tomber Yves Sirois, directeur de recherche au Centre national de la recherche scientifique et responsable pour la France d’une des expériences du grand collisionneur du Centre européen pour la recherche nucléaire (CERN). «On répète souvent dans les médias les mêmes clichés, les mêmes idées “copiées-collées” qui n’abordent les choses qu’en surface. Pourtant, ce qui s’est passé à Genève, il y a trois ans, nous force à repenser tous les fondements de la physique et le rôle de la mécanique quantique», insiste-t-il.
Rien de moins.

Yves Sirois, qui dirige en France une équipe de 25 chercheurs, était aux premières loges lors de la découverte du boson de Higgs.

De passage à Montréal en février 2015, il a tenu à démontrer pourquoi cette percée, qui devait mettre la touche finale à ce que les physiciens appellent le «modèle standard» (une théorie qui regroupe trois forces fondamentales de l’Univers et l’ensemble des particules connues sous un même ensemble mathématique), a plutôt tout chamboulé, au contraire. Car ces nouvelles données suggèrent que l’Univers est intrinsèquement instable, et qu’il pourrait même disparaître.

Pour suivre le raisonnement, il faut prendre du recul face aux évidences. «Vous savez, on nous présente comme des physiciens des particules; mais, les particules, ce n’est plus vraiment ce qui nous intéresse», précise le chercheur avec un brin de provocation.

Il y a en effet bien d’autres choses à prendre en compte depuis que, en 1915, la mathématicienne allemande Emmy Noether a démontré que toutes les lois de conservation de la physique – conservation de la masse, des charges, de l’énergie, des mouvements rotatifs, etc. – répondaient à des symétries fondamentales de la nature.

Une histoire de champs

Quand les physiciens ont commencé à s’intéresser à ces «symétries mathématiques», ils ont découvert que les forces apparaissaient inévitablement comme conséquence de ces symétries. « Les forces sont liées aux propriétés de l’espace. Les physiciens parlent de “champs” (gravitationnel, électromagnétique, etc.). Une particule de matière ou d’interaction, ce n’est rien d’autre que la perturbation locale d’un champ. Ce qui nous intéresse depuis, ce ne sont plus les particules; ce sont ces champs qui constituent ce qu’on pourrait appeler l’univers sous-jacent », résume Yves Sirois.

Le modèle standard, tel que défini initialement, n’explique donc pas la masse des particules. Pis, quand on leur donne une masse, les équations de la physique quantique aboutissent à des impossibilités. À très petite échelle, par exemple, les énergies deviennent infinies.

Qu’à cela ne tienne. Pour régler ce problème de la masse, quelques théoriciens ont postulé, dans les années 1960, l’existence d’un autre «champ», présent dès les premiers instants de l’Univers. C’est l’interaction de ce champ fondamental – qu’on a appelé le champ de Higgs, du nom d’un des théoriciens qui l’a proposé – et des autres propriétés de l’espace-temps qui conférerait aux particules une certaine inertie.

Pour concrétiser les choses, on peut imaginer le champ de Higgs comme un fond visqueux dans lequel se déplacent les particules. Plus ces dernières interagissent avec l’«huile» du fond, plus elles apparaissent ralenties, et plus elles nous semblent donc avoir une masse élevée. «La masse, c’est une illusion quantique. C’est juste le résultat apparent d’une interaction de particules de masse nulle avec le vide, en présence du champ de Higgs», explique Yves Sirois, toujours soucieux d’éviter les approximations.

Dans le monde quantique, chaque fois qu’on a un «champ» d’interaction, on voit apparaître une particule porteuse de son énergie, un «boson». Le boson qui accompagne le champ de Higgs est très particulier : ce n’est ni tout à fait une particule de matière, ni tout à fait un boson d’interaction. C’est ce fameux boson associé au champ responsable de la masse de toutes les autres particules qu’on cherchait à observer depuis la fin des années 1960 (voir notre reportage au CERN ici).

Quand la nature joue des tours

Quelle énergie (ou quelle masse) devait avoir ce boson? Deux grandes écoles s’opposent à ce sujet. D’un côté, les défenseurs des modèles mathématiques soutenant l’existence d’une espèce d’univers miroir, avec toute une panoplie de «super-particules» encore inconnues, avancent que le boson doit avoir une énergie inférieure à 125 gigaélectronvolts (un GeV, ou gigaélectronvolt, est à peu près égal à la masse d’un proton).

«L’avantage de cette approche dite «supersymétrique» est qu’elle permet, en plus d’expliquer la masse du boson de Higgs, d’avoir un univers qui, une fois apparu, continue d’exister pour toujours. Il est stable, observe Yves Sirois. Les théories supersymétriques pourraient aussi expliquer l’existence de la matière noire. Mais ces théories n’expliquent pas ce qui se passe à très petite échelle : en-dessous de 10-33 cm, la physique quantique ne tient plus ».

De l’autre côté, les théories des super-cordes (un modèle mathématique où les particules sont en fait définies comme des oscillations de filaments infinitésimaux dans un espace à 10 dimensions) peuvent beaucoup mieux décrire la physique de l’infiniment petit. Mais dans ce cas, pour que l’Univers puisse être stable, le boson de Higgs devrait «peser» plus de 130 GeV.

«La nature est bien malicieuse, reprend le physicien. Elle a donné au boson de Higgs,
que l’on a enfin observé au LHC, une masse d’environ 125 GeV. Avec cette masse, on a quelque chose qui peut expliquer l’Univers à toutes les échelles... Toutefois, c’est un Univers possiblement instable. Il pourrait disparaître n’importe quand.»

La nouvelle est perturbante, c’est le moins qu’on puisse dire... «Je ne peux pas accepter l’idée que l’Univers puisse disparaître bientôt!» précise le chercheur, mi-sérieux, mi-espiègle. Selon lui, il faut donc postuler qu’il existe quelque chose d’autre qui stabilise le tout. Il faudra que les physiciens inventent un autre champ, ou repensent complètement leurs équations. Il évoque même que la solution pourrait être liée à l’«inflaton», un champ qu’on n’a pas encore pu observer ni décrire, qui expliquerait la fulgurante expansion de l’Univers dans les premiers instants après le big-bang : « Il y a peut-être un lien profond entre les interactions quantiques et l’émergence de l’espace et du temps».

Des particules d’énergie (des bosons) associées à d’autres champs pourraient alors expliquer une autre des grandes énigmes de la physique, la masse manquante – ou matière noire –, que le modèle standard ne peut pas intégrer.

«Nous vivons des années extraordinaires en ce qui concerne la physique, dit Yves Sirois. C’est comme en 1900, quand, aux États-Unis, Albert Michelson affirmait que les physiciens connaissaient tout, qu’il ne leur restait que quelques petits ajustements à faire. Cinq ans plus tard, on découvrait la relativité, la mécanique quantique et les
symétries. On est dans le même état d’esprit aujourd’hui. On pensait que le boson de
Higgs compléterait notre édifice. Or, il bouleverse notre compréhension de l’Univers.»

L’avenir de la physique se trouve, plus que jamais, entre les mains des expérimentateurs.

 

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