La brisure de symétrie, un casse-tête et trois Nobel

Pourquoi y a-t-il quelque chose plutôt que rien ? Pourquoi les particules élémentaires ont-elles une masse ? C’est à répondre à ce genre de questions que les trois physiciens aujourd’hui récompensés par le Nobel ont contribué, en s’intéressant aux situations où la symétrie est brisée –et ce à l’échelle des particules élémentaires, briques de base de la matière.

Les travaux de Yoichiro Nambu (87 ans), Makoto Kobayashi (64 ans) et Toshihide Maskawa (68 ans), ont permis de consolider le modèle standard de la physique, corpus qui unifie en une seule théorie les trois familles de particules élémentaires (composées de leptons et de quarks) et les forces fondamentales .

Yoichiro Nambu fut le premier à introduire la notion de brisure de symétrie spontanée dans le monde des particules élémentaires. Il a élaboré des outils mathématiques qui sont désormais appliqués à l’ensemble du modèle standard. Cette notion de brisure de symétrie spontanée se cache par exemple derrière l’explication de la masse des particules : c’est grâce à une brisure de symétrie survenue peu après le Big Bang, dans un champ de force appelé champ de Higgs, que les particules ont acquis une masse, selon le modèle théorique. Modèle qui attend pour sa consécration que l’on piège le boson de Higgs dans les anneaux des grands collisionneurs de particules.

Quant à Makoto Kobayashi et Toshihide Maskawa, ils ont consolidé le modèle standard mis à mal par certaines expériences menées dans les années 50 et 60. Des physiciens avaient constaté avec étonnement que des principes fondamentaux de symétrie avaient été violés. Pour les particules élémentaires, ces symétries concernent la parité (P), la charge (C) et le temps (T). La symétrie de charge signifie par exemple qu’une particule a exactement les mêmes propriétés que son antiparticule, avec une charge inverse. Les expériences de double violation de symétrie (dites violation de CP) ont secoué les murs du modèle standard.

La solution fut trouvée en 1972 par Kobayashi et Maskawa. Ils ont mis au point une matrice qui décrit toutes les probabilités de transformations des quarks(1) qui se cachent derrière ces violations de symétrie. Combinée à la création d’une nouvelle famille de quark –dont l’existence a été depuis été confirmée expérimentalement- cette matrice a permis d’expliquer les brisures de symétrie dans les limites du modèle standard.

Cécile Dumas
Sciences et Avenir.com
07/10/08

(1)Chaque proton et chaque neutron sont constitués de trois quarks maintenus entre eux par des gluons.