Du noyau au Cern - ou les couleurs de la liberté en physique des particules
Que nous apprennent de minuscules particules enfermées dans des protons sur la manière dont l'univers a commencé et dont il finira ? Cette semaine, le prix Nobel de physique David Gross donne trois conférences publiques à l'ETH Zurich dans le cadre des cours Paul Bernays sur le thème "Un siècle de physique quantique - de la physique nucléaire à la théorie des cordes et au-delà".
Au c?ur des noyaux atomiques, il se passe des choses qui peuvent para?tre étranges : Lorsque deux particules se rapprochent, la force qui s'exerce entre elles ne s'accro?t pas, mais diminue. Inversement, plus elles s'éloignent l'une de l'autre, plus l'interaction entre elles est forte. Comme un élastique qui maintient deux sphères ensemble, cette force couple les particules entre elles et les maintient dans le noyau atomique.
Les physiciens appellent cette force "interaction forte" et la comptent parmi les quatre forces fondamentales qui déterminent le comportement des corps, des champs, des particules et des systèmes. Les trois autres forces fondamentales sont l'interaction faible, l'électromagnétisme et la gravitation.
Les effets de la "liberté asymptotique"
Intuitivement, la forte interaction contredit l'expérience que les gens font dans la vie quotidienne. Pour les physiciens aussi, ce phénomène, que l'on appelle aujourd'hui la "liberté asymptotique", a longtemps été un paradoxe. Jusqu'en 1973, lorsque David Gross, David Politzer et Frank Wilczek ont réussi à démontrer qu'une certaine classe de théories était la bonne pour décrire l'interaction forte et la "liberté asymptotique" de manière concluante. Ces travaux leur ont valu le prix Nobel de physique en 2004.
"Cette théorie et les prédictions qu'elle permet ont été une étape importante pour achever le modèle standard de la physique des particules", explique Charalampos Anastasiou, professeur de physique théorique des particules à l'ETH. Le modèle standard décrit les particules élémentaires et les interactions entre elles.
"Les recherches de Gross ont contribué à ce que nous comprenions aujourd'hui plus précisément le comportement des particules. Cela a également fait avancer la recherche avec l'accélérateur de particules LHC au centre de recherche nucléaire Cern", explique Anastasiou, qui a apporté sa contribution à la compréhension des propriétés de la particule du boson de Higgs gr?ce à ses réflexions théoriques et ses modèles mathématiques. En 2012, les physiciens ont pu démontrer expérimentalement l'existence de cette particule gr?ce au Grand Collisionneur de Hadrons.
"Le siècle passé a vu l'achèvement d'une théorie de la matière atomique et nucléaire. Cette théorie a connu un succès remarquable".David Gross
David Gross arrive maintenant à l'ETH Zurich : en tant qu'intervenant dans les cours Paul Bernays, il présentera de manière compréhensible pour tous comment la physique des particules a évolué au cours des cent dernières années - de la physique nucléaire à la théorie des cordes et au-delà. "Sur la base de la mécanique quantique et de la théorie relativiste des champs, le siècle dernier a vu l'achèvement d'une théorie de la matière atomique et nucléaire", explique David Gross, "cette théorie a connu un succès remarquable. Ce qui surprend peut-être le plus, c'est que les principes de base formulés il y a près d'un siècle soient restés aussi robustes et performants".
La physique avec une touche philosophique
Les conférences Paul Bernays sont une série de conférences honorifiques organisées par les trois Départements des sciences humaines, sociales et politiques, des mathématiques et de la physique de l'ETH. Elle est consacrée à la philosophie de la logique, des mathématiques et de la physique. Sont invités des scientifiques dont les recherches reflètent et développent les fondements, les méthodes et les concepts des sciences exactes.
"David Gross incarne parfaitement ce lien entre la recherche fondamentale en physique et la pertinence de la philosophie des sciences ; après tout, il a introduit dans la physique des particules des théories et des concepts qui ont une influence décisive sur notre compréhension actuelle de la réalité matérielle", déclare Norman Sieroka. Le philosophe de l'ETH est membre du comité consultatif des cours Paul Bernays et auteur d'une "Philosophie de la physique".
En fait, la découverte de la liberté asymptotique et les travaux théoriques de David Gross éclairent l'histoire de la physique des particules et la manière dont elle s'est développée et établie après la Seconde Guerre mondiale à partir de l'ancienne physique nucléaire : depuis 1911, les physiciens savaient que les noyaux atomiques sont composés de protons et de neutrons et qu'ils sont entourés d'une enveloppe atomique d'électrons en mouvement libre.
La piste de la "charge de couleur"
Dans les années 1960, les résultats expérimentaux surprenants se sont multipliés, alors inexplicables théoriquement, comme l'explique David Gross dans son discours de remise du prix Nobel en 2005. Gross, ses camarades et d'autres physiciens ont trouvé l'explication au niveau immédiatement inférieur de l'atome : c'est là qu'agissent les forces nucléaires qui permettent aux noyaux atomiques de se former - et qui, en fin de compte, permettent à la matière d'exister durablement dans la nature et de ne pas se désintégrer immédiatement.
A ce niveau inférieur, les protons et les neutrons sont à leur tour constitués de particules - de quarks et de gluons. L'interaction forte "emprisonne" les quarks à l'intérieur des protons et les maintient si proches les uns des autres que les protons peuvent exister de manière stable. La raison en est une propriété des quarks et des gluons que les physiciens appellent la "charge de couleur". La théorie qui décrit l'interaction forte entre les particules ayant une charge de couleur s'appelle la "chromodynamique quantique" ou, en bref, la QCD. Elle compte parmi les théories quantiques des champs et fait partie du modèle standard de la physique des particules.
Les cha?nes et la grande uniformisation
Ce modèle standard décrit les particules et les interactions. Il est cependant incomplet : il ne rend pas compte de la gravitation. La question se pose de savoir si et comment une théorie unifiée pourrait être formulée.
Même pour Gross : "Les questions les plus difficiles et en même temps les plus fascinantes auxquelles nous sommes confrontés aujourd'hui en physique fondamentale sont : Comment pouvons-nous unifier toutes les forces de la nature, y compris la gravitation ? Notre concept le plus fondamental de la réalité physique, à savoir celui de l'espace-temps, va-t-il changer et comment ? Pouvons-nous comprendre comment l'univers a commencé et comment il finira" ?
"La théorie des cordes est aujourd'hui considérée comme le candidat le plus prometteur pour une théorie capable d'unifier les quatre forces fondamentales", explique Anastasiou. Gross s'est également distingué dans ce domaine. A l'origine, les premières théories des cordes avaient été élaborées dans les années 1960 pour décrire l'interaction forte. Elles n'y sont pas parvenues. Dans les années 1980, Gross a toutefois pu montrer pour la première fois que la théorie des cordes pouvait en principe décrire toutes les particules élémentaires connues.
"Gross a ainsi largement contribué à l'essor de la théorie des cordes et au fait qu'elle soit prise au sérieux sur le plan scientifique", déclare Anastasiou qui, comme Sieroka, est curieux de savoir comment Gross voit l'évolution de la physique des particules.
Cours Paul Bernays 2017
Un siècle de physique quantique - de la physique nucléaire à la théorie des cordes et au-delà
Conférences Paul Bernays 2017 par le professeur David Gross, prix Nobel de physique 2004, Université de Californie, Santa Barbara (?tats-Unis).
Toutes les conférences ont lieu à l'ETH Zurich, dans l'auditorium F 3 du b?timent principal, R?mistr. 101, 8006 Zurich :
1er cours magistral (généraliste) :
A Century of Nuclear Physics
Mardi 12 septembre 2017, 17h00
2. cours (connaissances de base) :
Théorie quantique des champs : passé, présent, futur
Mercredi 13 septembre 2017, 14h15
3ème cours (connaissances spécialisées) :
Gauge - Gravité, ou Dualité de cordes ouverte - fermée
Mercredi 13 septembre 2017, 16h30
Toutes les conférences sont données en anglais et se suffisent à elles-mêmes.
Pour plus d'informations, consultez le site : www.ethz.ch/bernays
Références bibliographiques
Gross DJ. La découverte de la liberté asymptotique et l'émergence de la QCD. PNAS, 2005, 102 : 9099-9108, doi : page externe10.1073/pnas.0503831102.
Anastasiou C, Duhr C, Dulat F, Furlan E, Gehrmann T, Herzog F, Lazopoulos A, Mistlberger B : High precision determination of the gluon fusion Higgs boson cross-section at the LHC. Journal of High Energy Physics, 2016, 5 : 1-101, doi : page externe10.1007/JHEP05(2016)058
Sieroka N. Philosophie de la physique. Une introduction. C.H. Beck, 2014.