Les
théories de grande unification
La théorie électrofaible et la
chromodynamique quantique traitent de la matière dans des conditions
que nous pouvons reproduire sur Terre dans les accélérateurs de particules.
Mais les premiers instants de l’Univers sont marqués par des températures et
des densités bien au-delà de nos possibilités. Seule une approche théorique
peut donc nous aider à comprendre comment particules et forces se comportaient
juste après le Big Bang.
Les théories de
grande unification
La théorie et
l’expérience ont montré que lorsque l’énergie des particules atteint un certain
seuil, les interactions électromagnétique et faible se confondent pour n’être
plus qu’une : l’interaction électrofaible. De la même façon, on peut envisager
que si l’on continue à augmenter l’énergie des particules, il arrive
probablement un moment où la force nucléaire forte vient s’unir à l’interaction
électrofaible. Ceci devrait se produire lorsque l’énergie atteint un niveau
équivalent à une température de l’ordre de dix milliards de milliards de
milliards de degrés (1028, soit un 1 suivi de 28 zéros).
Depuis les années
1970, plusieurs théories dites de grande unification ont essayé de donner une
description unifiée de la force électromagnétique et des forces nucléaires
faible et forte. Ces théories sont cependant très difficiles à départager ou à
confirmer expérimentalement, car il n’existe pas d’accélérateur suffisamment
puissant pour les tester. Même le LHC (Large Hadron Collider) ne peut atteindre
qu’une énergie équivalente à 1600 milliards de degrés en créant des collisions
entre noyaux de plomb, ce qui est très loin du compte pour ce type
d’investigation.
Un exemple de
théorie de grande unification : le modèle de Georgi-Glashow
En guise
d’exemple, nous pouvons considérer la théorie de grande unification proposée en
1974 par les physiciens Howard Georgi and Sheldon Glashow et parfois désignée
sous le nom de SU(5). D’après cette théorie, en plus des bosons de jauge déjà
connus, le photon, les trois bosons vecteurs intermédiaires et les huit gluons,
il doit exister huit autres bosons que les théoriciens ont baptisés les bosons
X.
Ces huit nouveaux
porteurs se distinguent par leur capacité à lier quarks et leptons. D’après la
théorie, en effet, l’échange d’un de ces nouveaux bosons serait capable de
transformer un quark en lepton et vice-versa, ce qui n’est possible avec aucun
des autres bosons. Un exemple typique de conséquence serait la désintégration
d’un proton pour donner un positron (un antiélectron donc un lepton) et un pion (un méson formé de deux quarks de première
génération), le pion se transformant immédiatement en deux photons.
La durée de vie
du proton
La possibilité de
transformation des quarks en leptons est l’une des conséquences les plus
intéressantes de cette théorie car elle implique que le proton n’est pas
éternel, un effet qui pourrait être détecté par l’expérience. Un proton n’est
pour simplifier qu’un amas de trois quarks et il suffirait en principe que l’un
de ces quarks se transforme en lepton pour que l’amas se désintègre. Dans sa
version originale, la théorie SU(5) pouvait donc prédire la durée de vie du
proton (sa demi-vie pour être plus précis) et le résultat était d’environ 1031 années
(1 suivi de 31 zéros).
Les résultats
expérimentaux n’ont malheureusement pas confirmé cette valeur, ni même observé
la désintégration du proton. D’après la détecteur Super-Kamiokande au
Japon, le proton a une durée de vie, si elle est finie, d’au moins 1033 années.
La théorie SU(5) dans sa forme originale n’est donc pas confirmée par
l’expérience.
De façon plus
générale, et pour les raisons de limitations expérimentales évoquées plus haut,
aucune des théories de grande unification n’a pour l’instant été confirmée et
le concept de grande unification n’est lui-même pas prouvé. Ce qui n’empêche
pas les théoriciens de s’attaquer à un problème encore plus difficile : une théorie du Tout.
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