Le M.A., 11/10/2015
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Le neutrino est encore à l'honneur cette année avec les lauréats du Nobel de physique.
Le neutrino est une particule élémentaire, le truc le plus minuscule qu'on puisse trouver dans l'univers. Ce truc est loin d'être inactif. Son activité est même surprenante.
Mais c'est impossible de passer l'article de l'AFP tel qu'Il est. Le neutrino mérite, je crois, une présentation au cas où vous n'auriez plus en mémoire votre dernier cours de physique. Voici donc une petite remise à niveau.
La matière, c'est ce qui compose un corps, qu'il soit sous forme d'état solide, liquide, gazeux... ou ionisé (comme la foudre, le feu, la trainée d'une étoile filante, une aurore boréale...).La principale caractéristique de la matière est d'avoir une masse. En gros, c'est tout ce qui se voit, se sent, se touche.
De quoi la matière est-elle faite ? De molécules. La molécule est la plus petite partie d'un corps composé. Chaque molécule est un assemblage d'au moins deux atomes susceptible de se transformer sous l'effet d'une réaction chimique. On peut combiner les atomes à l'infini pour créer des molécules. C'est du Lego.
L'atome, c'est la plus petite partie d'un corps simple. Lui, l'atome, il est stable... mais il n'en contient pas moins des éléments encore plus petits: des particules. Des particules composites quand elles contiennent quelque chose, des particules élémentaires quand elles ne contiennent rien... mais contiennent-elles réellement "rien" ? C'est toute la question.
La physique est une science des paradoxes qui s'élève à la hauteur de la philosophie. La fantaisie débridée de la molécule s'exprime grâce à l'austérité rigide et scrogneugneu de l'atome. Mais l'atome renferme en lui-même une vie d'une richesse que nul ne soupçonnait avant que Michael Faraday comprenne le rôle de l'électricité dans la faculté des atomes à se lier entre eux.
Un atome est fait d'un noyau, petit mais costaud, lourd, autour duquel tournent à très grande vitesse plein de tout petits électrons, si nombreux qu'ils forment autour du noyau une sorte de nuage compact et extrêmement actif. Ce système dont la structure est comparable au système solaire n'a été deviné qu'en 1910 par Ernest Rutherford, après une expérience sur une fine pellicule d'or qui révélait l'existence d'un noyau, et établi définitivement en 1932, date de la découverte du neutron.
Mais auparavant il a fallu aller voir ce qu'il y avait à l'intérieur, commencer déjà par ouvrir un atome, le transpercer... et c'est ainsi qu'on est d'abord tombé sur les électrons.
Les électrons sont des particules porteuses d'une charge électrique négative. Ils ont révélé leur existence la première fois lorsqu'en 1858 Julius Plücker eut l'idée saugrenue d'envoyer une décharge électrique dans un tube de verre à vide. Une lueur verte est alors apparue sur les parois. Ooooh ! L'existence de l'électron ne sera apportée expérimentalement qu'en 1897 par un certain J.J. Thompson. Du fait de leur extrême légèreté, les électrons ont un rôle déterminant dans les réactions chimiques.
Les composants du noyau atomique forment le nucléon. Je pense que vous ne serez pas surpris(e)s si je vous dis que le noyau naturel le plus lourd est celui de l'uranium-238 (92 protons + 146 neutrons). Comme il était le plus lourd, les physiciens de la fin du XIXe siècle ont pensé qu'il serait plus facilement manipulable. Cet atome a donc été ciblé très tôt pour servir de sujet d'expérience. Les inconscients !
C'est en jouant avec et en le cassant (tous les jouets finissent par être cassés !) que Henri Becquerel puis Pierre et Marie Curie ont découvert un rayonnement inattendu et étonnant: la radioactivité (à distinguer de la radioactivité naturelle qui provient du rayonnement cosmique). La découverte du radium le 21 décembre 1898 est l'acte de naissance de la physique nucléaire.A l'intérieur du nucléon, on trouve des protons qui ont une charge électrique positive et des neutrons qui comme leur nom l'indique sont neutres. Cette neutralité est loin d'être insignifiante, elle lui donne son intérêt.
Cette règle de la structure atomique a une exception: l'atome d'hydrogène. Celui-ci qui n'a pas de neutron, seulement un proton et un électron. C'est l'élément le plus simple. On en a fait l'élément n°1. Des éléments chimiques, il y en a... 118 sur le tableau, dont 94 existent dans la nature. En 1869, la table de Mendeleiev n'en comportait que 67. Et 33 seulement dans la Méthode de nomenclature chimique élaborée par Antoine Lavoisier en 1787.
Autre observation remarquable, celle du neutron. A l'état libre, sorti de son noyau, le neutron a une durée de vie qui n'excède pas un quart d'heure. Mais il a aussi la particularité de ne pas être repoussé par la charge électrique des noyaux. Par de multiples expériences, on a démontré dans les années 30 qu'en projetant ce neutron sur un noyau d'uranium (le lancer de neutron n'est toujours pas interdit ?
, on provoquait un fort dégagement de chaleur qui divisait ce noyau en deux nucléides: c'est le principe de la fission nucléaire.De là, nous en arrivons à la mise en relation entre la masse et l'énergie d'une particule que Albert Einstein a exposée en 1905 sous la forme d'une équation désormais célèbre, même pour les nul(le)s en physique: e = mc²
. "e": c'est l'énergie en joules. "m": c'est la masse en kg. "c", c'est la vitesse de la lumière. Celle-ci est constante: ~ 300.000 km/s. C'est considérable. Mise au carré, c'est encore plus considérable. Par conséquent, pour que l'énergie produite par un atome devienne énorme, on comprend qu'il suffit de pas grand chose. Une petite perte de masse par échauffement ou par combustion, une concentration de gaz... et en quelques heures ça prend des proportions très très inquiétantes. Le cœur d'un réacteur atomique peut fondre. On s'en est rendu compte à Fukushima. et BOUM ! 
La physique quantique
Les protons et les neutrons sont des particules composites, lourdes, stables, qui composent la matière des objets qui nous entourent. Composites: on le sait depuis peu. Composites parce qu'ils contiennent des particules encore plus petites: les quarks. Un proton est fait de 2 quarks "up" et 1 quark "down". Le neutron a la composition inverse: 1 quark "up" et 2 quarks "down".
Il a fallu attendre les années 60 pour découvrir les quarks. Leur existence n'était pas mentionnée dans mon dernier bouquin de physique. Mise en évidence par Murray Gell-Mann, elle a ouvert la voie de la physique quantique, celle de l'infiniment petit. Cette science n'a que 50 ans d'existence et on ne sait probablement pas grand chose de ce qu'on devrait savoir si l'on en juge par le nombre de questions sans réponse et la nature des théories qui tendent à la philosophie. Dans les tréfonds marins vivent des créatures étranges et inconnues... Bouh ! Waaaaaah !
Il faut dire qu'ils étaient bien cachés, ces quarks. En effet, ils vivent confinés, mais pas en ermites. N'existant pas d'une manière isolée, il est impossible de les observer normalement. Mais en se combinant entre eux, ils trahissent leur présence. Ils forment des bandes qu'on appelle des hadrons, des particules lourdes sensibles aux interactions fortes.
Pour mieux les observer et jouer avec ces hadrons, le CERN a fait construire un grand accélérateur de particules (LHC) près de Genève. C'est rollerball ! En faisant rentrer en collision des hadrons à très grande vitesse et très haute température, on espère séparer les particules et apercevoir deux quarks se faire un boson...
Les quarks contiennent peut-être des particules encore plus petites, mais on ne les a pas encore découvertes. Peut-être qu'en jouant avec, on finira par en trouver le secret... à moins que ce secret nous avale tout crus dans un trou noir. Pour le moment, on considère que les quarks sont des particules élémentaires. Leur comportement ne dépendrait pas de particules plus petites. Et comme on n'a encore "rien" trouvé à l'intérieur d'un électron, lui aussi est considéré comme une particule élémentaire, c'est-à-dire un constituant élémentaire de la matière.
Les quarks sont la dernière découverte majeure. Et c'est tout naturellement sur les particules élémentaires que se focalisent les travaux des chercheurs. Certes, en 2012, le CERN a annoncé avoir identifié expérimentalement un boson présentant toutes les caractéristiques de celui de Higgs. Cette découverte confirmait une équation quasi mythique et non résolue, un calcul de masse réalisé en 1964. Et alors ? Et après ?
Ce n'était pas une découverte en soi, c'était juste une curiosité intellectuelle, un "événement" qui a fait parler de la physique, du LHC, du CERN, et qui lui a peut-être attiré des financements. Mais en réalité les travaux réalisés depuis une vingtaine d'années sur les propriétés des particules les plus légères, dont le neutrino, sont ceux qui étonnent le plus, et le moins que l'on puisse dire, c'est que les chercheurs vont de surprise en surprise.Car ces particules n'ont pas seulement une masse, une charge, elles sont aussi pourvues d'un tempérament propre qui leur donne une personnalité... un état de nervosité, si vous préférez: le "spin". Pour les quarks, on parle même de "couleurs", de "saveurs" avec des critères de classification surprenants tels que "strange", "charm", "beauty", "truth" ! On n'en est pas encore à parler de la pénétration de leurs regards, mais on peut s'attendre à tout !
Le spin n'est pourtant pas une découverte récente. C'est Wolfgang Pauli qui, en 1924 (!!), en a introduit la notion théorique. Le phénomène sur l'électron a été découvert l'année d'après par Samuel Goudsmit et George Uhlenbeck. Mais à l'époque (surtout dans les années 30), la physique nucléaire intéressait bien plus les milieux politiques que l'étude des particules, des équipes de physiciens étaient mobilisées pour faire de la "physique de guerre"
. L'état des connaissances de la mécanique quantique ne permettait pas de pousser les études plus loin. Ce n'est donc qu'à partir des années 50 que les travaux de Pauli ont trouvé des développements.Le spin renvoie à une notion cinétique. Elle concerne l'orientation que prennent les particules dans un champ magnétique, les rotations sur elles-mêmes qu'elles effectuent. Pas de jalousie, toutes les particules élémentaires en ont un qui dépend de la famille à laquelle elles appartiennent (fermions, bosons...). Elles interagissent entre elles en fonction de leur caractère et aucune n'a le même. Par exemple, on sait depuis Pauli que deux électrons ne peuvent se trouver dans le même état quantique.
C'est à partir de là que ça devient compliqué parce qu'on ne peut rien prévoir avec certitude, et encore moins être certain de l'exactitude du résultat qu'on va obtenir. On entre dans le domaine des probabilités de résultats qu'on essaie de calculer avec des ordinateurs de plus en plus puissants.
On a aussi remarqué que pour chaque particule, une antiparticule (ou positron) lui est associée, de même masse, de même spin, mais de charges électriques opposées, tout comme le sont les chiffres de leur carte d'identité quantique. Une particule et son antiparticule peuvent s'annihiler (toutefois un quark et son antiquark forment un meson, c'est à rien y comprendre !).
On peut supposer qu'il en est de même avec la matière et l'antimatière. Cela expliquerait pourquoi il n'a pas été possible encore de distinguer l'une de l'autre. Mais ça viendra forcément un jour puisqu'il existe des antiparticules. C'est un peu comme s'il fallait démontrer pourquoi chaque chose a une ombre dès lors qu'elle est exposée à une source lumineuse. Si l'observateur est la source lumineuse, il lui sera impossible de voir l'ombre qui se cache dans l'axe du sujet qu'il éclaire.
Des questions cependant me taraudent l'esprit: Dans de telles conditions, le "rien" existe-t-il vraiment ? Une question qui en appelle d'autres. Faut il prendre ce "rien" en considération, même par défaut, pour qualifier une particule d'élémentaire ? La qualification même de particule élémentaire (ne contenant rien) doit-elle être affirmée comme une notion sur laquelle la physique doit s'appuyer ? Dois-je rappeler que jusqu'à la fin du XIXe siècle, on avait la conviction que l'atome était indivisible; ça ne se discutait même pas... Mmmmmh....
Depuis les années 30, on a découvert bien d'autres particules élémentaires (muons, taus, photons, pions, kaons, etc. et neutrinos) dotées de toute sorte de propriétés. Le neutrino est la particule qui intrigue le plus parce qu'elle a une masse et une charge nulles (ou presque, on n'en est plus très sûr). Toutes ces particules s'amusent follement. Elles s'assemblent furtivement, s'éclatent dans des partouzes torrides et très particulières (pour des particules, c'est normal) loin des regards indiscrets. Elles se désintègrent en donnant naissance à d'autres particules.
On s'est aperçu que tout ce système s'équilibrait, s'autorégulait d'une manière incroyable. Certaines particules, même, comme les gluons, servent de médiateurs aux interactions afin d'assurer la stabilité du noyau ! Une telle diversité de masses, de comportements est-elle possible si l'on se borne à ne considérer que les forces extérieures auxquelles ces particules sont soumises ? Mmmmmh....
Bref, on les a toutes classées par familles en fonction de leur masse ou de leur interaction, faible ou forte. Par exemple, les électrons font partie de la famille des particules à faible masse qu'on appelle les leptons. On trouve aussi dans cette famille ces fameux neutrinos si mystérieux qui valent le Prix Nobel à ceux qui en découvrent de nouveaux.
On connaît l'interaction gravitationnelle par la loi de Newton (la pomme qui tombe de l'arbre). On connaît l'interaction électromagnétique par la loi de Coulomb (on faisait cette expérience au collège avec des aimants). Ce sont des interactions faibles. On sait qu'il y a dans l'Univers des interactions fortes, mais on n'en connaît pas les lois fondamentales. Les domaines de recherche ne manquent pourtant pas (comme la théorie des cordes), mais ils ont encore tout à prouver.
Les physiciens espèrent avancer dans la connaissances de ces lois par celle des particules élémentaires. C'est devenu leur dada. Et la vie intime des neutrinos les intéresse tout particulièrement. L'infiniment petit de la physique quantique pourrait nous permettre de comprendre enfin, un jour, l'infiniment grand.
La connaissance progresse... mais sans découvertes vraiment révolutionnaires, juste en étoffant les découvertes quantiques des années 60, et pas d'une manière aussi fulgurante qu'au carrefour du XXe siècle, lorsque l'atome livrait le secret de sa structure.
Le neutrino a échappé aux noms en "on". C'est le physicien italien, Edoardo Amaldi, qui lui a donné son nom en parlant d'un "petit neutron" > "neutrino". Comme le neutrino a une charge nulle (comme le neutron), on ne risque pas d'avoir un antineutrino, c'est toujours ça de gagné ! Après ça, si vous voulez finir votre crouton, pas besoin d'être pigeon ou baryton.
Le rien et le tout
Quand j'allais à l'école, je pensais qu'il y avait toujours quelque chose dans quelque chose. Même la plus petite particule devait forcément être constituée d'autres particules et ainsi de suite, comme les poupées russes. Puisque le fonctionnement du système solaire se retrouvait dans un atome, j'imaginais qu'un Univers tout entier était contenu dans une particule faisant elle-même partie d'un ensemble qui la dépassait, et ainsi de suite. Le vide absolu était impossible à obtenir, et le rien inconcevable.
Aujourd'hui, des scientifiques, des astronomes sont en train de remonter le temps et de se rapprocher à quelques centaines de milliers d'années des tout premiers balbutiements de l'Univers, il y a 13,8 milliards d'années. Tels des archéologues du cosmos, ils espèrent retrouver dans le rayonnement fossile quelques traces gravitationnelles.
Saura-t-on un jour comment le Big Bang s'est déclenché ? Remontera-t-on jusqu'à l'étincelle ? Personnellement, je ne le crois pas. C'est mon intime conviction. On trouvera... un cul-de-sac. On va juste constater qu'à un moment, la masse était si concentrée que l'énergie qui s'est libèrée était démentielle et l'Univers est devenu un gigantesque magma projeté vers le vide sidéral... On l'aurait deviné de toute façon. Mais on n'apprendra rien du déterminant parce que celui-ci est antérieur au Temps zéro.
Dans les compétitions sportives, en athlétisme en l'occurrence, avant le début des premières courses, une fois les branchements effectués, les officiels s'occupent à faire "le point zéro". Le starter pose son pistolet sur la ligne d'arrivée où se trouve la cellule photoélectrique et tire une cartouche. La procédure consiste à vérifier que le chrono électrique fonctionne et que l'écart de temps entre la détonation et le départ du chrono est inférieure à 1/1.000e de seconde (il n'est jamais nul). Le moment où le starter prend dans son cerveau la décision d'appuyer sur la détente, l'écart entre cet instant et ce 1/1.000e font partie d'un autre temps, antérieur au Temps zéro. Le curseur n'a pu enregistrer le temps qui s'est écoulé juste avant de réagir à l'impulsion électrique. Et plutôt que de parler d'une dimension temporelle dont on ne sait rien, dont on n'a aucune trace, il serait plus simple de constater l'absence de cette dimension temporelle.
Qu'y avait-il donc avant le Big Bang ? Rien ? Pourquoi "rien" ? Pourquoi faut-il toujours que ce "rien" prenne une si grande place et revienne constamment se rappeler à nous ? Il n'y aurait "rien" dans l'infiniment petit des particules élémentaires. Il n' y a aurait "rien" dans l'infiniment grand, juste avant le Big Bang. Mais ce "rien" n'a rien de scientifique !
Cette référence au "rien" est surtout biblique: « Au début, il n'y avait rien sur la terre. Dieu seulement existait (...) » . La pensée religieuse s'appuie en permanence sur le postulat d'une création (et d'une fin) du monde afin de faire croire à l'existence de Dieu. Elle ne cesse de le répéter de manière obsessionnelle. Si Dieu a tout fait, c'est bien la preuve qu'avant le début de tout, il n'y avait "rien". Et on est bien obligé de constater que les théories existantes restent attachées à l'idée que le monde aurait un début et une fin.
Mais pourquoi, n'évoque-t-on jamais l'hypothèse selon laquelle, avant le Big Bang, il y aurait eu la même chose qu'après ?... S'il n'y avait "pas rien", il y aurait eu quelque chose. De toute façon, on y aurait retrouvé les mêmes éléments chimiques. « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme » aurait dit Lavoisier. Bon... il ne l'a pas écrit, il n'a pas eu le temps, on lui a coupé la tête avant. (« La République n'a pas besoin de savants ni de chimistes » dixit Jean-Baptiste Coffinhal).
Le Big Bang correspondrait alors au Temps zéro d'un basculement d'un état en un autre. Un peu comme si un impact sur une sphère déclenchait la vague d'un tsunami qui irait en s'étendant jusqu'au grand cercle de la sphère, puis elle se contracterait petit à petit en finissant de parcourir la superficie de l'autre hémisphère, avant de se refermer très vite en amassant de plus en plus d'énergie... jusqu'au nouvel impact, une nouvelle déflagration.
Ce nouveau Big Bang provoquerait alors un nouveau mouvement, mais en sens inverse... A nouveau, l'Univers propulsé par l'énergie libérée se mettrait à progresser, tandis qu'en arrière de la "vague" il dépérirait après avoir brûler son énergie. Les étoiles, devenant des naines noires ou des pulsars, disparaitraient les unes après les autres. Ainsi l'espace Temps se renouvellerait constamment dans un temps compris entre deux Big Bang distants de peut-être quelques dizaines de milliards d'années. Il n'aurait ni début ni fin.
Et si notre Univers n'était au fond qu'une infime particule de l'Univers bien plus vaste que j'imaginais quand j'avais 14 ans ?
On peut aussi réfléchir à tout ça devant un plateau de go. Il y a dans ce jeu plus de possibilités qu'il n'y a de particules dans l'univers: 10 puissance 163 ou 80, ça dépend comment on compte (particules connues ou pas connues). Ce sont des chiffres qui dépassent notre entendement.
C'est très yin / yang tout ça, je sais bien. On m'objectera facilement, et avec raison, que je plie la science à ma volonté, à mes convictions personnelles et à ma fantaisie. Mais ça fait partie de l'esprit dans lequel baigne la physique quantique depuis les années 60, avec d'un côté ceux qui cherchent coûte que coûte à concilier la relativité générale avec les récentes observations de la physique quantique, comme s'il n'y avait rien de plus logique que de faire rentrer un cube dans une cavité ronde !, et d'un autre côté ceux qui refusent de se borner aux mathématiques et tentent de trouver des ouvertures, d'enrichir leur réflexion en mêlant les domaines les plus divers. Existe-t-il de nos jours une théorie du Big Bang qui ne repose pas, plus ou moins, sur des références philosophiques, un soupçon de subjectivité et d'excentricité (au sens propre) ? Il en sera ainsi tant que rien n'aura été démontré de manière indiscutable.
De toute façon, on ne m'attribuera pas le prix Nobel, alors.... Bouhouhouhou !...
Antigone
.., mais tu mériterais , et de loin, le prix de la vulgarisation .
, non baryonique, avec les wimps ou superpartenaires 
