https://madrid.hostmaster.org/articles/physics_beyond_the_standard_model/fr.html
En 2012, lorsque le boson de Higgs a été confirmé au Grand Collisionneur de Hadrons du CERN, le Modèle Standard (MS) était, sur le papier, complet. Chaque particule prédite avait été trouvée. Ses équations avaient passé tous les tests expérimentaux avec une précision stupéfiante.
Pourtant, l’ambiance en physique n’était pas celle d’une conclusion, mais d’une incomplétude. Tout comme les lois de Newton avant Einstein ou la physique classique avant la mécanique quantique, le Modèle Standard était trop performant aux échelles que nous pouvons tester, mais incapable de répondre à des questions plus profondes. C’était une carte presque parfaite – mais seulement d’une petite partie du paysage.
L’omission la plus évidente est la gravité.
Ce n’est pas qu’un simple oubli. La relativité générale considère la gravité comme la courbure de l’espace-temps, un champ géométrique lisse, tandis que le MS traite les forces comme des champs quantiques médiatisés par des particules. Les tentatives de quantifier la gravité de la même manière se heurtent à des infinis qui ne peuvent être renormalisés.
Le Modèle Standard et la RG sont comme deux systèmes d’exploitation différents – brillants dans leurs propres domaines, mais fondamentalement incompatibles. Les réconcilier est peut-être le plus grand défi de la physique actuelle.
Le MS prédit que les neutrinos sont sans masse. Cependant, des expériences, commençant par le détecteur Super-Kamiokande au Japon (1998) et confirmées dans le monde entier, ont montré que les neutrinos oscillent entre différentes saveurs (électronique, muonique, tau). L’oscillation nécessite une masse.
Ce fut la première preuve confirmée de physique au-delà du Modèle Standard. Cette découverte a valu le prix Nobel de 2015 à Kajita et McDonald.
Les neutrinos sont extrêmement légers, au moins un million de fois plus légers que l’électron. Leurs masses ne sont pas expliquées par le MS – mais elles pourraient indiquer une nouvelle physique, comme le mécanisme de balancier, les neutrinos stériles ou des liens avec l’univers primordial. Dans certains scénarios, les neutrinos lourds de type balancier permettent la leptogenèse, où une asymétrie des leptons est créée dans l’univers primordial, qui se transforme ensuite en l’asymétrie matière-antimatière observée.
La matière visible décrite par le MS représente moins de 5 % de l’univers. Le reste est invisible.
Les théories proposent de nouvelles particules : les WIMPs (particules massives à interaction faible), les axions, les neutrinos stériles ou quelque chose de plus étrange. Mais malgré des décennies de recherches – détecteurs souterrains, expériences de collisionneurs, études astrophysiques – la matière sombre reste insaisissable.
Encore plus mystérieuse est l’énergie sombre, la force qui entraîne l’expansion accélérée de l’univers.
Ce problème de la constante cosmologique est probablement le conflit le plus aigu entre la théorie des champs quantiques et la gravité. Le Modèle Standard n’a rien à dire sur l’énergie sombre. C’est un vide béant dans notre compréhension du cosmos.
Un autre mystère profond réside dans le boson de Higgs lui-même.
La masse du Higgs est mesurée à 125 GeV. Mais les corrections quantiques devraient la pousser vers l’échelle de Planck (\(10^{19}\) GeV), sauf en cas d’annulations miraculeuses. Pourquoi est-elle si légère par rapport aux échelles d’énergie naturelles de la gravité ?
C’est le problème de la hiérarchie : le Higgs semble anormalement finement ajusté. Les physiciens soupçonnent une nouvelle physique, comme la supersymétrie (SUSY), qui pourrait stabiliser la masse du Higgs en introduisant des particules partenaires qui annulent les corrections dangereuses. (Les débats sur la naturalité incluent des idées allant des solutions dynamiques aux raisonnements anthropiques dans un possible “paysage” de vides.)
Le MS inclut une certaine violation de CP, mais loin d’être suffisante pour expliquer pourquoi l’univers actuel est rempli de matière plutôt que de quantités égales de matière et d’antimatière. Comme mentionné ci-dessus, des mécanismes comme la leptogenèse (souvent liés à l’origine des masses des neutrinos de type balancier) offrent une voie convaincante où la physique au-delà du MS fait pencher la balance.
Le Modèle Standard est parfois appelé “la théorie la plus réussie en physique”. Ses prédictions correspondent aux expériences jusqu’à 10-12 décimales. Il explique presque tout ce que nous voyons dans les accélérateurs de particules et les laboratoires.
Mais il est incomplet :
Les physiciens font maintenant face à un moment familier dans l’histoire. Tout comme la mécanique de Newton a cédé la place à la relativité, et la physique classique à la mécanique quantique, le Modèle Standard doit finalement céder la place à quelque chose de plus profond.
L’objectif ultime est une Grande Théorie Unifiée (GUT) ou même une Théorie de Tout (ToE) : un cadre qui unifie les quatre forces, explique toutes les particules et fonctionne de manière cohérente des échelles les plus petites (gravité quantique) aux plus grandes (cosmologie).
C’est le Saint Graal de la physique moderne. C’est pourquoi les chercheurs poussent les collisionneurs à des énergies plus élevées, construisent des détecteurs de neutrinos massifs, cartographient le cosmos avec des télescopes et inventent de nouvelles mathématiques audacieuses.
Les chapitres suivants exploreront les principaux candidats :
Chacune de ces idées n’est pas née comme un dogme, mais comme la science à son meilleur : remarquer des fissures, construire de nouvelles théories et les tester contre la réalité.
La physique a une longue histoire d’unification par la symétrie. Les équations de Maxwell ont unifié l’électricité et le magnétisme. La relativité restreinte a unifié l’espace et le temps. La théorie électrofaible a unifié deux des quatre forces fondamentales. Chaque avancée est venue de la révélation d’une symétrie cachée dans la nature.
La supersymétrie – ou SUSY, comme l’appellent affectueusement les physiciens – est la proposition audacieuse que la prochaine grande symétrie relie deux catégories de particules apparemment distinctes : la matière et les forces.
Dans le Modèle Standard, les particules se divisent en deux grandes familles :
Fermions (spin 1/2) : Ils incluent les quarks et les leptons, les briques de la matière. Leur spin demi-entier signifie qu’ils obéissent au principe d’exclusion de Pauli : deux fermions identiques ne peuvent pas occuper le même état. Cela explique pourquoi les atomes ont des coquilles structurées et pourquoi la matière est stable.
Bosons (spin entier) : Ils incluent les photons, les gluons, les bosons W et Z, et le Higgs. Les bosons médiatisent les forces. Contrairement aux fermions, ils peuvent s’accumuler dans le même état, ce qui explique l’existence des lasers (photons) et des condensats de Bose–Einstein.
En bref : les fermions forment la matière, les bosons transportent les forces.
La supersymétrie propose une symétrie qui relie les fermions et les bosons. Pour chaque fermion connu, il existe un partenaire bosonique. Pour chaque boson connu, un partenaire fermionique.
(“Photino” et “zino” sont des surnoms plus anciens pour les états propres de gauge ; les expériences recherchent en réalité les états propres de masse mentionnés ci-dessus.)
Pourquoi proposer une telle duplication radicale du monde des particules ? Parce que SUSY promet des solutions élégantes à certains des problèmes les plus profonds laissés par le Modèle Standard.
L’un des plus grands attraits de SUSY est sa capacité à résoudre le problème de la hiérarchie : pourquoi le boson de Higgs est-il si léger par rapport à l’échelle de Planck.
Dans le Modèle Standard, les corrections quantiques des particules virtuelles devraient pousser la masse du Higgs vers des valeurs énormes. La supersymétrie introduit des sparticules dont les contributions annulent ces divergences. Résultat : la masse du Higgs est naturellement stabilisée, sans ajustement fin (du moins dans les spectres SUSY “naturels”).
Une autre motivation pour SUSY vient de l’unification des forces.
Cela suggère qu’à des énergies extrêmement élevées, les trois forces pourraient se fondre en une seule Grande Théorie Unifiée (GUT).
La supersymétrie fournit également un candidat naturel pour la matière sombre.
Si SUSY est correcte, l’une des sparticules devrait être stable et électriquement neutre. Un candidat principal est le neutralino le plus léger, un mélange de bino, wino et higgsinos.
Les neutralinos n’interagiraient que faiblement, correspondant au profil des WIMPs (particules massives à interaction faible). S’ils étaient découverts, ils pourraient expliquer les 27 % manquants de la matière de l’univers.
Pendant des décennies, les physiciens espéraient que les particules supersymétriques apparaîtraient juste au-dessus des échelles d’énergie déjà explorées.
L’absence de découvertes SUSY au LHC a été décevante. De nombreuses versions les plus simples de SUSY, comme le “Modèle Standard supersymétrique minimal” (MSSM), sont maintenant fortement contraintes. Les spectres “naturels” sont repoussés vers des masses plus élevées, ce qui implique plus d’ajustements fins si SUSY existe près de l’échelle des TeV.
Pourtant, SUSY n’a pas été exclue. Des modèles plus complexes prédisent des sparticules plus lourdes ou plus subtiles, peut-être hors de portée du LHC, ou avec des interactions trop faibles pour être facilement détectées.
Au-delà de ses motivations phénoménologiques, SUSY possède une profonde élégance mathématique.
Même si la nature ne réalise pas SUSY à des énergies accessibles, ses mathématiques ont déjà enrichi la physique.
Aujourd’hui, SUSY occupe une position étrange.
Si le LHC et ses successeurs ne trouvent rien, SUSY pourrait ne se réaliser qu’à des échelles d’énergie bien au-delà de notre portée – ou peut-être la nature a-t-elle choisi un chemin totalement différent.
La supersymétrie illustre la méthode scientifique en action.
Les physiciens ont identifié des problèmes : la question de la hiérarchie, l’unification, la matière sombre. Ils ont proposé une nouvelle symétrie audacieuse qui les résout tous. Ils ont conçu des expériences pour la tester. Jusqu’à présent, les résultats sont négatifs – mais cela ne signifie pas que l’idée était vaine. SUSY a affiné nos outils, clarifié ce que nous cherchons et guidé des générations entières de recherche.
Comme l’éther ou les épicycles avant elle, SUSY pourrait s’avérer être un tremplin vers une vérité plus profonde, qu’elle survive comme le dernier mot ou non.
La physique au-delà du Modèle Standard est souvent motivée par des correctifs : résoudre le problème de la hiérarchie, expliquer la matière sombre, unifier les couplages gauge. La théorie des cordes est différente. Elle ne commence pas par un puzzle particulier. Au lieu de cela, elle commence par des mathématiques – et finit par reformuler toute notre conception de l’espace, du temps et de la matière.
La théorie des cordes a commencé, étonnamment, non pas comme une théorie de tout, mais comme une tentative ratée de comprendre la force nucléaire forte.
À la fin des années 1960, avant que la QCD ne soit pleinement développée, les physiciens tentaient d’expliquer le zoo des hadrons. Ils ont remarqué des motifs dans les données de diffusion qui suggéraient que les résonances pouvaient être modélisées par des cordes vibrantes.
Le “modèle de résonance duale,” introduit par Veneziano en 1968, décrivait les interactions fortes comme si les hadrons étaient des excitations de minuscules cordes. C’était élégant mais rapidement abandonné une fois que la QCD s’est imposée comme la véritable théorie de la force forte.
Pourtant, la théorie des cordes a refusé de mourir. Cachées dans ses équations se trouvaient des caractéristiques remarquables qui semblaient pointer bien au-delà de la physique nucléaire.
Lorsque les théoriciens ont quantifié les vibrations des cordes, ils ont découvert que le spectre incluait inévitablement une particule sans masse de spin 2.
C’était choquant. La théorie des champs quantiques avait montré qu’une particule sans masse de spin 2 est unique : elle doit être le quantum de la gravité, le graviton.
Comme l’a noté plus tard John Schwarz : “Mais un fait surprenant est apparu : les mathématiques de la théorie des cordes contenaient inévitablement une particule sans masse de spin 2 – un graviton.”
Ce qui avait commencé comme une théorie des hadrons avait accidentellement produit la brique de construction de la gravité quantique.
Au cœur de la théorie des cordes, les particules ponctuelles sont remplacées par de minuscules objets unidimensionnels : des cordes.
Les cordes peuvent être ouvertes (avec deux extrémités) ou fermées (des boucles).
Différents modes de vibration de la corde correspondent à différentes particules.
Ce simple changement – des points aux cordes – résout de nombreux infinis qui affligent la gravité quantique. La taille finie de la corde brouille les interactions qui exploseraient autrement à distance zéro.
Les premières versions de la théorie des cordes avaient des problèmes : elles contenaient des tachyons (instabilités) et nécessitaient des caractéristiques irréalistes. La percée est venue avec l’introduction de la supersymétrie, menant à la théorie des supercordes dans les années 1970 et 1980.
Les supercordes ont éliminé les tachyons, incorporé les fermions et apporté une nouvelle cohérence mathématique.
Mais il y avait un hic : la théorie des cordes ne fonctionne que dans des dimensions supérieures. Plus précisément, 10 dimensions de l’espace-temps.
Cette idée, aussi radicale qu’elle puisse paraître, n’était pas entièrement nouvelle. Dans les années 1920, la théorie de Kaluza–Klein avait déjà suggéré que des dimensions supplémentaires pouvaient unifier la gravité et l’électromagnétisme. La théorie des cordes a ravivé et considérablement élargi cette idée.
Au milieu des années 1980, les physiciens ont découvert que la théorie des cordes n’était pas unique, mais se présentait en cinq versions distinctes :
Chacune semblait mathématiquement cohérente, mais pourquoi la nature en choisirait-elle une ?
En 1984, Michael Green et John Schwarz ont montré que la théorie des cordes pouvait automatiquement annuler les anomalies quantiques – quelque chose que les théories des champs quantiques devaient soigneusement concevoir. Cette découverte a déclenché la première révolution des supercordes, avec des milliers de physiciens se tournant vers la théorie des cordes comme candidate à une théorie unifiée de toutes les forces.
C’était le premier cadre sérieux dans lequel la gravité quantique n’était pas seulement cohérente, mais inévitable.
Au milieu des années 1990, une deuxième révolution s’est déroulée. Edward Witten et d’autres ont découvert que les cinq théories des cordes différentes n’étaient pas des rivales, mais des limites différentes d’une seule théorie plus profonde : la théorie M.
On pense que la théorie M existe en 11 dimensions et inclut non seulement des cordes, mais des objets de dimensions supérieures appelés branes (abréviation de membranes).
Ces branes ont donné naissance à de riches nouvelles possibilités : des univers entiers pourraient exister comme des 3-branes flottant dans un espace de dimension supérieure, avec la gravité qui s’infiltre dans le volume tandis que les autres forces restent confinées. Cette image a inspiré des modèles modernes de dimensions supplémentaires comme Randall–Sundrum.
Kaluza–Klein (années 1920) : A proposé une cinquième dimension supplémentaire pour unifier la gravité et l’électromagnétisme. L’idée a été mise de côté pendant des décennies, mais la théorie des cordes l’a ravivée sous une forme plus grandiose. Les dimensions supplémentaires compactées restent une caractéristique centrale des modèles de cordes.
Randall–Sundrum (1999) : A proposé des dimensions supplémentaires “déformées”, où notre univers est une 3-brane intégrée dans des dimensions supérieures. La gravité se propage dans le volume, expliquant pourquoi elle est plus faible que les autres forces. De tels modèles prédisent des signaux possibles dans les collisionneurs de particules ou des déviations de la loi de Newton à très courtes distances.
La théorie des cordes fait des affirmations audacieuses, mais les tester est extrêmement difficile.
Malgré les défis, la théorie des cordes a fourni un terrain fertile pour les mathématiques, inspirant des progrès en géométrie, topologie et dualités comme AdS/CFT (qui relie la gravité dans des dimensions supérieures à la théorie des champs quantiques sans gravité).
Les défenseurs soutiennent que la théorie des cordes est la voie la plus prometteuse vers une théorie unifiée : elle inclut la gravité quantique, unifie toutes les forces et explique pourquoi un graviton doit exister.
Les critiques soutiennent que sans confirmation expérimentale, la théorie des cordes risque de se déconnecter de la science empirique. Son vaste “paysage” de solutions possibles (jusqu’à \(10^{500}\)) rend difficile l’extraction de prédictions uniques.
Les deux côtés s’accordent sur une chose : la théorie des cordes a changé notre façon de penser la physique, offrant un nouveau langage pour l’unification.
Si la supersymétrie est la prochaine étape au-delà du Modèle Standard, la théorie des cordes est l’étape suivante : une candidate à la Théorie de Tout tant recherchée.
Son affirmation la plus audacieuse n’est pas seulement qu’elle inclut le Modèle Standard et la gravité, mais que ceux-ci sont des conséquences inévitables de cordes vibrantes dans des dimensions supérieures. Le graviton n’est pas un ajout – il est intégré.
Reste à découvrir si la nature a choisi ce chemin.
Les théories sont la sève de la physique, mais les expériences sont son pouls. La supersymétrie, la théorie des cordes et les dimensions supplémentaires sont de belles constructions mathématiques, mais elles vivent ou meurent par les preuves. Si elles doivent être plus que des spéculations, elles doivent laisser des empreintes dans les données.
Les physiciens ont conçu des moyens ingénieux de chercher ces empreintes – dans les collisionneurs, dans le cosmos et dans la structure même de l’espace-temps.
Le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) au CERN est l’accélérateur de particules le plus puissant au monde, faisant entrer en collision des protons à des énergies allant jusqu’à 13,6 TeV (design : 14 TeV). Il a été l’outil principal de l’humanité pour explorer la physique au-delà du Modèle Standard.
Certaines théories suggèrent que si la gravité devient forte à l’échelle des TeV, de minuscules trous noirs pourraient se former dans les collisions du LHC, s’évaporant en éclats de particules. Aucun événement de ce type n’a été observé.
Si des dimensions supplémentaires existent, la loi de la gravité de Newton pourrait se rompre à courtes distances.
Ces expériences de table sont remarquablement sensibles, explorant des échelles inaccessibles aux collisionneurs.
La découverte des ondes gravitationnelles par LIGO en 2015 a ouvert une nouvelle frontière.
Jusqu’à présent, les observations sont cohérentes avec la RG dans les incertitudes actuelles, mais une précision accrue pourrait révéler des surprises.
Le cosmos lui-même est l’accélérateur de particules ultime.
Jusqu’à présent, le ciel est silencieux. La matière sombre reste non détectée, et les données cosmologiques correspondent au modèle ΛCDM sans empreintes claires de cordes.
Des décennies de recherches n’ont pas confirmé SUSY, les dimensions supplémentaires ou les signaux de cordes. Mais l’absence de preuve n’est pas la preuve de l’absence :
Quelques anomalies de précision (par exemple, la mesure du (g-2) du muon et certaines tensions dans la physique des saveurs) restent intrigantes mais non résolues ; elles motivent un examen continu sans encore renverser le MS.
Ce que les expériences ont fait, c’est réduire l’espace des paramètres. Elles nous ont dit où SUSY n’est pas, à quel point les dimensions supplémentaires doivent être petites, et à quel point la matière sombre peut ou ne peut pas interagir.
Les futures expériences promettent d’explorer plus profondément :
L’histoire expérimentale de la physique au-delà du Modèle Standard n’est pas celle d’un échec, mais d’un processus.
Tout comme l’expérience de la feuille d’or de Rutherford a brisé le modèle du pudding aux prunes, ou LIGO a dissipé les doutes sur les ondes gravitationnelles, la prochaine grande découverte pourrait arriver soudainement – et tout changer.
Pendant des siècles, la physique a progressé par l’unification. Newton a unifié les cieux et la Terre sous une loi de gravitation. Maxwell a unifié l’électricité et le magnétisme. Einstein a unifié l’espace et le temps. La théorie électrofaible a montré que deux forces très différentes sont des aspects d’une seule.
L’étape suivante est la plus audacieuse à ce jour : unifier les quatre interactions fondamentales – forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle – dans un cadre unique et cohérent. C’est le Saint Graal de la physique : la Théorie de Tout (ToE).
Une unification complète n’est pas seulement une élégance philosophique ; elle répond à des problèmes pratiques et conceptuels profonds :
Une ToE ne ferait pas qu’unifier les forces – elle unifierait les échelles, des cordes les plus petites de la théorie quantique aux structures cosmiques les plus grandes.
La supersymétrie (SUSY), si elle est réalisée dans la nature, fournit un tremplin vers une ToE.
Les GUT inspirées par SUSY (comme SU(5), SO(10) ou E₆) imaginent qu’à des énergies ultra-élevées, les quarks et les leptons sont unifiés en multiplets plus grands, et les forces fusionnent en un seul groupe gauge.
Mais SUSY n’est pas encore apparue dans les expériences. Si elle n’existe qu’à des échelles hors de notre portée, son pouvoir unificateur pourrait rester tentant mais caché.
La théorie des cordes va plus loin. Au lieu de patcher le Modèle Standard, elle réécrit les fondations :
Dans cette vision, l’unification n’est pas un hasard – c’est de la géométrie. Les forces diffèrent parce que les cordes vibrent de différentes manières, façonnées par la topologie des dimensions supplémentaires.
La découverte que les cinq théories des cordes sont connectées par des dualités a conduit à la théorie M, un cadre encore plus grandiose :
La théorie M est encore incomplète, mais elle représente l’étape la plus ambitieuse jamais entreprise vers une ToE.
La théorie des cordes et la théorie M ne sont pas les seuls chemins. Les physiciens explorent plusieurs cadres, chacun avec des forces différentes :
Bien qu’aucun ne rivalise encore avec l’ampleur unificatrice de la théorie des cordes, ils illustrent la richesse de la quête.
Une ToE doit finalement être testable. Bien que l’échelle de Planck soit bien au-delà des expériences actuelles, les physiciens recherchent des preuves indirectes :
Jusqu’à présent, la ToE reste hors de portée, mais chaque résultat nul émonde les possibilités.
Une véritable ToE ne ferait pas qu’unifier la physique – elle unifierait la connaissance humaine. Elle relierait la mécanique quantique et la relativité, le micro et le macro, la particule et le cosmos.
Pourtant, elle fait face à un paradoxe : l’échelle même à laquelle l’unification se produit pourrait être à jamais hors de portée expérimentale. Un collisionneur de 100 TeV n’explore qu’une fraction du chemin vers l’échelle de Planck. Nous devrons peut-être nous fier à la cosmologie, à la cohérence mathématique ou à des signatures indirectes.
Le rêve reste vivant grâce à l’élégance profonde des cadres. Comme l’a noté Witten, la théorie des cordes n’est pas seulement “un ensemble d’équations” mais “un nouveau cadre pour la physique”.
La quête d’une ToE ne consiste pas à déclarer la théorie des cordes, SUSY ou toute idée singulière comme “vraie”. Il s’agit de la méthode scientifique :
L’histoire est loin d’être terminée. Mais c’est précisément cette ouverture – le refus de considérer une théorie comme sacrée – qui fait de la physique une science vivante, pas un dogme.
Le prochain siècle de physique pourrait révéler :
Ou peut-être la véritable ToE est-elle quelque chose que personne n’a encore imaginé.
Mais la quête elle-même – le désir d’unifier, d’expliquer, de voir la nature dans son ensemble – est autant une partie de l’humanité que les équations elles-mêmes.