Modèle standard. Quel nom stupide pour la théorie scientifique la plus précise connue de l'humanité. Plus d'un quart des prix Nobel de physique du siècle dernier ont été décernés à des travaux qui étaient directement ou indirectement liés au modèle standard. Son nom, bien sûr, est comme si vous pouviez acheter une amélioration pour quelques centaines de roubles. Tout physicien théoricien préférerait la «théorie étonnante de presque tout», ce qu'elle est vraiment.
Beaucoup se souviennent de l'enthousiasme des scientifiques et des médias face à la découverte du boson de Higgs en 2012. Mais sa découverte n'a pas été une surprise et n'est pas sortie de nulle part - elle a marqué le 50e anniversaire de la série de victoires consécutives du modèle standard. Il comprend toutes les forces fondamentales sauf la gravité. Toute tentative de réfuter et de démontrer en laboratoire qu'elle devait être complètement retravaillée - et il y en avait beaucoup - a échoué.
En bref, le modèle standard répond à cette question: de quoi tout est-il fait et comment tout s'articule-t-il?
Les plus petits blocs de construction
Les physiciens aiment les choses simples. Ils veulent tout briser en son cœur, trouver les éléments de base les plus élémentaires. Ce n'est pas si facile de le faire en présence de centaines d'éléments chimiques. Nos ancêtres croyaient que tout se compose de cinq éléments: la terre, l'eau, le feu, l'air et l'éther. Cinq est beaucoup plus simple que cent dix-huit. Et aussi faux. Vous savez certainement que le monde qui nous entoure est fait de molécules et que les molécules sont faites d'atomes. Le chimiste Dmitry Mendeleev l'a compris dans les années 1860 et a présenté les atomes dans le tableau des éléments, qui est étudié à l'école aujourd'hui. Mais il y a 118 de ces éléments chimiques: Antimoine, arsenic, aluminium, sélénium … et 114 autres.
En 1932, les scientifiques savaient que tous ces atomes n'étaient constitués que de trois particules: les neutrons, les protons et les électrons. Les neutrons et les protons sont étroitement liés les uns aux autres dans le noyau. Des électrons, des milliers de fois plus légers qu'eux, tournent autour du noyau à une vitesse proche de la lumière. Les physiciens Planck, Bohr, Schrödinger, Heisenberg et d'autres ont introduit une nouvelle science - la mécanique quantique - pour expliquer ce mouvement.
Ce serait formidable de s'arrêter là. Seulement trois particules. C'est encore plus facile que cinq. Mais comment collent-ils ensemble? Les électrons chargés négativement et les protons chargés positivement sont maintenus ensemble par les forces de l'électromagnétisme. Mais les protons rebondissent dans le noyau et leurs charges positives devraient les repousser. Même les neutrons neutres n'aideront pas.
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Qu'est-ce qui lie ces protons et neutrons ensemble? "Intervention divine"? Mais même un être divin aurait du mal à suivre chacun des 1080 protons et neutrons de l'univers, les retenant par volonté.
Élargir le zoo des particules
Pendant ce temps, la nature refuse désespérément de stocker seulement trois particules dans son zoo. Même quatre, car nous devons rendre compte du photon, la particule de lumière décrite par Einstein. Quatre se sont transformés en cinq lorsque Anderson a mesuré des électrons chargés positivement - des positrons - qui ont frappé la Terre depuis l'espace. Cinq est devenu six lorsque la pivoine tenant le noyau dans son ensemble et prédite par Yukawa a été découverte.
Ensuite, le muon est apparu - 200 fois plus lourd que l'électron, mais sinon son jumeau. Il est déjà sept heures. Pas si facile.
Dans les années 1960, il y avait des centaines de particules «fondamentales». Au lieu d'un tableau périodique bien organisé, il n'y avait que de longues listes de baryons (particules lourdes comme les protons et les neutrons), de mésons (comme les pions de Yukawa) et de leptons (particules légères comme les électrons et les neutrinos insaisissables), sans aucune organisation ni principes de conception.
Et dans cet abîme est né le modèle standard. Il n'y avait aucune idée. Archimède n'a pas sauté de la salle de bain en criant "Eureka!" Non, au lieu de cela, au milieu des années 1960, quelques personnes intelligentes ont émis des hypothèses importantes qui ont transformé ce bourbier, d'abord en une théorie simple, puis en cinquante ans de tests expérimentaux et de développement théorique.
Quarks. Ils ont six options que nous appelons les saveurs. Comme des fleurs, mais pas si savoureux. Au lieu de roses, de lys et de lavande, nous nous sommes levés et descendus, des quarks étranges et enchanteurs, charmants et vrais. En 1964, Gell-Mann et Zweig nous ont appris à mélanger trois quarks pour faire un baryon. Un proton est composé de deux quark up et un down; neutron - deux inférieurs et un supérieur. Prenez un quark et un antiquark - obtenez un méson. Une pivoine est un quark up ou down associé à un antiquark up ou down. Toute matière dont nous avons affaire est constituée de quarks ascendants et descendants, d'antiquarks et d'électrons.
Simplicité. Pas exactement de simplicité cependant, car garder les quarks liés n'est pas facile. Ils se lient si étroitement que vous ne trouverez jamais un quark ou un antiquark errant seul. La théorie de cette connexion et les particules qui y participent, à savoir les gluons, sont appelées chromodynamique quantique. Il s'agit d'une partie importante du modèle standard, complexe d'un point de vue mathématique et, à certains endroits, même insoluble pour les mathématiques de base. Les physiciens font de leur mieux pour faire des calculs, mais parfois l'appareil mathématique n'est pas suffisamment développé.
Un autre aspect du modèle standard est le "modèle lepton". C'est le titre d'un article historique de 1967 de Stephen Weinberg qui combinait la mécanique quantique avec les connaissances essentielles sur la manière dont les particules interagissent et les organisent en une théorie unifiée. Il a allumé l'électromagnétisme, l'a associé à une «force faible» qui conduit à certaines désintégrations radioactives, et a expliqué que ce sont des manifestations différentes de la même force. Le mécanisme de Higgs a été inclus dans ce modèle, donnant de la masse aux particules fondamentales.
Depuis, le modèle standard a prédit les résultats des expériences après les résultats, y compris la découverte de plusieurs variétés de quarks et de bosons W et Z - particules lourdes qui, dans des interactions faibles, jouent le même rôle qu'un photon dans l'électromagnétisme. La possibilité que les neutrinos aient une masse a été manquée dans les années 1960, mais confirmée par le modèle standard dans les années 1990, plusieurs décennies plus tard.
La découverte du boson de Higgs en 2012, longtemps prédite par le modèle standard et attendue depuis longtemps, n'a cependant pas été une surprise. Mais c'était une autre victoire majeure du modèle standard sur les forces obscures auxquelles les physiciens des particules s'attendent régulièrement à l'horizon. Les physiciens n'aiment pas que le modèle standard ne corresponde pas à leurs idées sur le simple, ils s'inquiètent de son incohérence mathématique et ils recherchent également des moyens d'inclure la gravité dans l'équation. De toute évidence, cela se traduit par différentes théories de la physique, qui peuvent être après le modèle standard. C'est ainsi que sont apparues les théories de la grande unification, la supersymétrie, la technocolor et la théorie des cordes.
Malheureusement, les théories en dehors du modèle standard n'ont pas trouvé de preuves expérimentales réussies ni de défauts majeurs dans le modèle standard. Cinquante ans plus tard, c'est le modèle standard qui se rapproche le plus de la théorie de tout. Théorie incroyable de presque tout.
Ilya Khel
