Particules élémentaires et cosmologie : les lois ultimes ?

Le boson ? C'est l'ultime particule élémentaire prédite par la théorie de l'infiniment petit, qui manquait encore et dont la découverte, grâce au grand collisionneur de hadrons du CERN, a été annoncée au monde entier le 4 juillet 2012. Postulée en 1964 par Robert Brout, François Englert et Peter Higgs, elle explique que le photon - particule qui transmet la force électromagnétique - n'a pas de masse, à l'encontre de celles véhiculant la force faible. Une telle dissymétrie était a priori incompatible avec la symétrie fondamentale, dite «de jauge», sur laquelle est fondé le modèle standard de la physique des particules. Le chapeau mexicain ? C'est le mécanisme grâce auquel le boson rend compte, en préservant les acquis du modèle standard, de l'origine des masses des particules élémentaires. Le boson et le chapeau mexicain se placent à la croisée - retracée par les deux auteurs en dialogue avec François Englert - des chemins de l'évolution des théories de l'astrophysique contemporaine et, sur près de trente années, d'une véritable aventure scientifique, technologique et humaine menée par le CERN, dont Michel Spiro fut le président du Conseil. Mais la particule observée a-t-elle les propriétés définies par le modèle standard, ou en possède-t-elle d'autres, prédites par des théories concurrentes des composants élémentaires de la matière ? Faudra-t-il bientôt écrire encore un nouveau grand récit de l'univers ...

Une révolution bouleverse la science : à la recherche des particules élémentaires, la physique quantique découvre de nouvelles briques fondamentales de la matière, les quarks et les leptons ; mais plus encore, elle fournit le cadre conceptuel qui permet de penser l'élémentarité. L'édifice de la physique classique qui gouverne notre vie quotidienne est fortement remis en cause par l'apparition, au niveau microscopique, de rapports insoupçonnés entre la matière, l'espace et le temps. Se laisser guider par Gilles Cohen-Tannoudji et Michel Spiro, c'est pénétrer dans un univers autre et pourtant aussi réel que le nôtre : les quarks y ont du charme, de la beauté et de la couleur ; l'univers y est en expansion ; les phénomènes n'y sont plus des objets en soi, mais des réalités expérimentales construites et élaborées ; d'ailleurs la réalité elle-même n'y est plus indépendante de l'observation puisque celle-ci en perturbe irréversiblement les éléments qu'elle étudie ; on y conçoit l'espace-temps comme un milieu matériel dont les propriétés varient selon l'échelle d'observation mais qui seul permet de comprendre la logique objective de l'élémentarité ; les propriétés de symétrie y sont le fil conducteur. De l'infiniment petit des particules à l'infiniment grand des structures de l'univers, ce fascinant monde quantique est bâti par une ambition hier encore jugée folle et utopique : unifier un jour en une théorie unitaire toutes les particules et les interactions fondamentales (gravitationnelle, électromagnétique, nucléaire forte et nucléaire faible) de la matière. Déjà la physique des particules peut aujourd'hui reconstituer l'histoire de l'univers jusqu'au milliardième de seconde qui suivit la naissance de celui-ci. Elle est au seuil de l'état d'origine où la matière était indifférenciée. Le silence des espaces infinis a cessé de nous effrayer. Gilles Cohen-Tannoudji, prix Thibaud 1971, est physicien théoricien au CEA à Saclay. Il est rattaché depuis 1983 au département de physique des particules élémentaires ; il enseigne à l'Université de Paris XI-Orsay et à l'Institut national des sciences et techniques nucléaires. Michel Spiro, physicien expérimentateur au CEA à Saclay, prix Joliot-Curie 1983 et prix Thibaud 1985, participa à l'expérience UAI qui permit de découvrir en 1983 les bosons intermédiaires nécessaires à l'unification des interactions électromagnétique et nucléaire faible. Il est maître de conférences à l'Ecole polytechnique.

Ces trois dernières années, les moissons scientifiques ont été exceptionnellement fructueuses, de la découverte du boson de Higgs à celles des ondes gravitationnelles émises lors de la coalescence de deux trous noirs massifs, et aux observations du fond cosmologique par le satellite Planck. L'humanité vient alors d'atteindre un nouveau palier dans la compréhension du monde quantique et du monde de la gravitation : nos bases théoriques, expérimentales et technologiques forment un socle scientifique solide pour aller plus loin et tenter de répondre aux nouvelles questions qui surgissent suite à ces découvertes... Enquête et mise au point sur une révolution en cours.

Nous suivons dans ce petit ouvrage la chronologie des événements scientifiques tels que Planck les a vécus en les resituant dans leurs contextes politique et social, puis nous analysons son héritage scientifique. La page des quanta est loin d'être refermée.