champs unifiée, théorie des - astronomie.

champs unifiée, théorie des - astronomie. 1 PRÉSENTATION champs unifiée, théorie des, théorie visant à unifier les quatre interactions connues dans l'Univers au moyen d'un seul groupe de lois générales. Les tentatives d'élaboration d'une théorie des champs unifiée s'appuient sur la conviction que tous les phénomènes physiques pourraient en définitive être expliqués par une même loi globale. 2 TYPES D'INTERACTION Les physiciens distinguent actuellement quatre forces fondamentales dans la nature qui sont, par ordre décroissant d'intensité, les interactions nucléaires ou fortes, les interactions électromagnétiques, les interactions faibles et les interactions gravitationnelles. Les interactions fortes sont responsables de la cohésion des protons et des neutrons au sein du noyau atomique (voir chromodynamique quantique), les interactions électromagnétiques sont à l'origine des liaisons entre le noyau et les électrons, les interactions faibles régissent certains processus intranucléaires comme la désintégration ? (voir radioactivité), et les interactions gravitationnelles correspondent à la gravitation. Une propriété fondamentale de la matière est à l'origine de chacune de ces forces (ou champs) : les charges électriques engendrent les champs électromagnétiques, les charges de couleur créent les champs de l'interaction forte, la masse est à l'origine des champs gravitationnels et les champs faibles sont le fait des charges faibles (voir quark ; voir lois de conservation). Les interactions entre particules élémentaires sont alors décrites par la théorie quantique des champs comme des échanges de particules particulières appelées bosons vecteurs. 3 TENTATIVES D'UNIFICATION 3.1 Théorie électromagnétique Au XIXe siècle, les interactions électriques et magnétiques, jusque-là considérées indépendantes, sont réunies dans la théorie de l'électromagnétisme, développée par Ørsted, Ampère, Faraday et Maxwell. Cette avancée ne constitue pas une réelle unification, car ces deux interactions ont une seule et même origine : la charge électrique. 3.2 Tentative d'Einstein Albert Einstein est le premier physicien à tenter d'élaborer une véritable théorie unificatrice dans les années dix. Ses travaux sur la relativité lui faisant présumer l'existence d'une théorie commune pour les forces électromagnétiques et gravitationnelles, il essaye en vain, durant les trente dernières années de sa vie, de concevoir un modèle où forces et particules seraient représentées uniquement par des champs, les particules n'étant rien d'autre que des zones du champ où les valeurs d'intensité seraient particulièrement élevées. Mais l'avènement de la théorie quantique et la découverte de nouvelles particules anéantissent la tentative d'Einstein, qui ne pouvait réussir dans sa tâche en s'aidant uniquement des lois de la relativité et de la physique classique. 3.3 Théorie de l'électrofaible ou théorie GSW Cette quête est relancée dans les années soixante sous l'impulsion des physiciens américains Steven Weinberg et Sheldon Glashow, et du physicien pakistanais Abdus Salam. Ces trois chercheurs parviennent à unifier l'interaction nucléaire faible et l'interaction électromagnétique en faisant appel à des symétries internes, symétries portant sur les propriétés intrinsèques des particules (charge, spin, etc.) et non sur leurs positions spatio-temporelles. Selon cette théorie connue sous le nom de théorie électrofaible (ou théorie GSW, des initiales de ses auteurs), les photons, responsables des interactions électromagnétiques, appartiendraient à la même famille que les bosons intermédiaires W et Z, qui gouvernent les interactions faibles. Ainsi, à une énergie suffisamment élevée, comme cela a été le cas dans notre Univers avant qu'il n'atteigne l'âge de 10-12 seconde et que sa température ne soit supérieure à 1015 K, les bosons vecteurs responsables des interactions électromagnétiques (les photons) et faibles (les bosons W et Z) disparaissent pour céder la place aux bosons électrofaibles. De la même manière, les charges électriques et faibles se confondent en une charge électrofaible. La théorie électrofaible a notamment permis de prévoir la masse des bosons W et Z bien avant leur observation par Carlo Rubbia au CERN en 1983, ce qui a constitué une première confirmation de la théorie. Cependant, elle ne sera validée que lorsque l'on observera le boson de Higgs, prévu par la théorie. Pour cela, il faut atteindre des énergies considérables (de l'ordre de 100 GeV), et les scientifiques attendent avec impatience la mise en service au CERN de l'accélérateur LHC (Large Hadron Collider, grand collisionneur de hadrons), prévue pour 2005. 3.4 Théorie de la grande unification En 1973, Sheldon Glashow et Howard Georgi proposent une théorie appelée théorie de l'interaction électronucléaire ou théorie de la grande unification (TGU, ou GUT en anglais), unifiant la force électrofaible et l'interaction forte. Cette unification n'est possible qu'à des énergies considérablement supérieures à celles nécessaires pour l'interaction électrofaible (1016 GeV) ; ces conditions existaient dans notre Univers moins de 10-35 seconde après le big bang, lorsque la température dépassait 1028 K. Cette théorie prévoit que le proton est instable et possède une durée de vie de l'ordre de 1031 années. D'énormes détecteurs ont été construits pour observer la désintégration du proton, mais aucun résultat probant n'a été annoncé jusqu'à aujourd'hui, privant ainsi la TUG de toute confirmation expérimentale. 3.5 Théories du tout 3.5.1 Superforce Actuellement, les scientifiques tentent de combiner les quatre types d'interactions en une seule, appelée superforce, à l'aide de théories dites « théories du tout «. Cette superforce devait régner à l'origine de l'Univers et s'est scindée 10-43 seconde après le big bang, alors que la température passait en dessous de 1032 K. 3.5.2 Supersymétrie La première théorie proposée, celle de la supersymétrie, unit les bosons vecteurs aux particules de matière (leptons et quarks) de la même manière que la TGU réunit les différents bosons. Cette théorie prévoit l'existence pour chaque particule connue d'une superparticule qui lui est associée. Ces superparticules étant extrêmement lourdes, leur observation dans les accélérateurs est pour l'heure impossible. 3.5.3 Supercordes La dernière théorie en date est celle des supercordes. Selon cette théorie, les différentes particules sont considérées non plus comme des points mathématiques mais comme des petites « cordes «, constituant en fait une seule et unique supercorde pouvant vibrer de différentes manières et obéissant aux lois de la supersymétrie. Dans ce modèle, l'Univers possède non plus quatre dimensions mais bien plus. Il existe en fait cinq théories des supercordes prévoyant chacune un nombre de dimensions différent pour l'Univers (de neuf à plus de trente). Les derniers développements semblent montrer que ces différentes théories sont toutes des cas limites d'une théorie unique appelée théorie M. La dimension des supercordes (10-35 m) place ces théories hors de portée de toute confirmation expérimentale dans l'état actuel de la technologie des accélérateurs de particules. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.