Le zoo des particules s’agrandit

Au début des années 1940, il semblait que les physiciens maîtrisaient les particules fondamentales et leurs interactions. Ils connaissaient les électrons, les protons et les neutrons, ainsi que les neutrinos et même les positrons, les « antiparticules » des électrons que Paul Dirac avait prédites dans les années 1920. Ils comprenaient qu’il existait des forces au-delà de la gravité et de l’électromagnétisme, les forces nucléaires forte et faible, et s’efforçaient de mieux les comprendre.

Mais des énigmes sont apparues lorsque de nouvelles particules inattendues sont apparues. Les physiciens ont découvert des muons dans les rayons cosmiques en utilisant une expérience de chambre à nuages en 1936. (Le nom « chambre à nuages » vient du fait que les particules chargées électriquement qui se déplacent dans la vapeur d’eau forment de minuscules traînées de nuages dans leur sillage). Ils ont trouvé des pions par des moyens similaires en 1947.

La même année, Butler et Rochester ont annoncé avoir trouvé des particules qu’ils ont appelées V+ et V0. D’un ensemble de « bifurcations inhabituelles » dans leurs données, ils ont déduit l’existence de deux particules assez massives, l’une chargée positivement et l’autre neutre, qui s’étaient brisées en d’autres particules.

Les particules avaient un certain nombre de caractéristiques curieuses. Tout d’abord, elles étaient lourdes – environ cinq fois la masse d’un muon – ce qui a conduit à une autre énigme. D’ordinaire, les particules plus lourdes ont une durée de vie plus courte, ce qui signifie qu’elles restent moins longtemps avant de se désintégrer en d’autres particules plus légères. Mais alors que les expériences se poursuivaient, les chercheurs ont découvert que, malgré leur poids, les particules avaient des durées de vie relativement longues.

Une autre caractéristique étrange : Les particules étaient faciles à fabriquer, mais les physiciens ne semblaient jamais être capables d’en produire une seule à la fois. En écrasant un pion et un proton ensemble, par exemple, vous pouviez créer les nouvelles particules, mais seulement par paires. En même temps, elles pouvaient se désintégrer indépendamment les unes des autres.

Un nouveau monde étrange

Dans les années 1950, Murray Gell-Mann, Kazuo Nishijima, Abraham Pais et d’autres ont imaginé un moyen d’expliquer certains des comportements curieux que présentaient les kaons et d’autres particules récemment découvertes. L’idée était que ces particules avaient une propriété appelée « étrangeté ». Aujourd’hui, les physiciens considèrent l’étrangeté comme un nombre quantique fondamental associé à une particule. Certaines particules ont une étrangeté égale à zéro, mais d’autres particules pourraient avoir une étrangeté égale à +1, -1, ou en principe tout autre nombre entier.

Important, l’étrangeté doit rester constante lorsque les particules sont produites par les forces nucléaires fortes, mais pas lorsqu’elles se désintègrent par les forces nucléaires faibles.

Dans l’exemple ci-dessus, dans lequel un pion et un proton entrent en collision, ces deux particules ont une étrangeté égale à 0. De plus, cette interaction est régie par la force forte, donc l’étrangeté des particules résultantes doit également s’additionner à zéro. Par exemple, les produits pourraient inclure un kaon neutre, dont l’étrangeté est égale à 1, et une particule lambda, dont l’étrangeté est égale à -1, ce qui annule l’étrangeté du kaon.

Cela explique pourquoi les particules étranges apparaissent toujours par paires – l’étrangeté d’une particule doit être annulée par celle d’une autre. Le fait qu’elles soient construites par des interactions fortes mais qu’elles se désintègrent par des interactions faibles, qui ont tendance à prendre plus de temps pour jouer, expliquait les temps de désintégration relativement longs.

Ces observations ont conduit à plusieurs idées plus fondamentales, dit Jonathan Rosner, un physicien théorique de l’Université de Chicago. En développant leur théorie, Gell-Mann et ses collègues ont constaté qu’ils pouvaient organiser les groupes de particules en grappes liées par l’étrangeté et la charge électrique, un schéma connu aujourd’hui sous le nom de The Eightfold Way. Les efforts pour expliquer cette organisation ont conduit à la prédiction d’un ensemble sous-jacent de particules : les quarks.

Le long et le court

Une autre caractéristique importante de la théorie de l’étrangeté : Lorsque les scientifiques ont découvert que les kaons étranges pouvaient se désintégrer en pions ordinaires, par exemple, ils ont supposé que l’interaction nucléaire faible, contrairement à l’interaction nucléaire forte, n’avait pas besoin de maintenir l’étrangeté constante. Cette observation a déclenché une série de développements théoriques et expérimentaux avec lesquels les physiciens sont encore aux prises aujourd’hui.

S’appuyant sur des théories qui suggéraient que le kaon neutre devrait avoir une antiparticule avec une étrangeté opposée au kaon neutre standard, Gell-Mann et Pais ont raisonné que le kaon neutre pourrait, par des processus complexes impliquant des interactions faibles, se transformer en sa propre antiparticule.

Ce schéma a une conséquence importante : Il implique qu’il existe deux nouvelles particules – en fait différentes combinaisons du kaon neutre et de son antiparticule – avec des durées de vie différentes. K-long, comme on l’appelle maintenant, dure en moyenne environ 50 milliardièmes de seconde, tandis que K-court dure un peu moins d’un dixième de milliardième de seconde avant de se briser. La prédiction de ces particules faisait partie des résultats préférés de Gell-Mann, dit Rosner, en raison de la facilité avec laquelle elles ont émergé de la physique quantique de base.

Une symétrie de la nature, détrônée

Une des choses importantes à propos de K-long et K-court, au moins dans la théorie de Gell-Mann et Pais, était qu’ils obéissaient à quelque chose appelé symétrie CP. En gros, la symétrie CP dit que si l’on échangeait chaque particule avec son antiparticule et que l’on retournait l’espace dans une sorte d’univers miroir, les lois de la physique resteraient les mêmes. La symétrie CP est valable dans toute la physique classique, et c’est la variante quantique de CP qui a motivé Gell-Mann et Pais. (Techniquement, Gell-Mann et Pais étaient à l’origine motivés par la seule symétrie C, mais ils ont dû mettre à jour leur théorie une fois que les expériences ont déterminé que les interactions faibles violaient à la fois la conjugaison des charges et la symétrie de parité – mais d’une manière telle que CP elle-même semblait rester une bonne symétrie).

Ironiquement, un résultat motivé par la symétrie CP a conduit à sa chute : En 1964, James Cronin, Val Fitch et des collaborateurs travaillant au Brookhaven National Laboratory ont découvert que le K-long pouvait – très rarement – se briser en deux pions, une réaction qui viole la symétrie CP. La désintégration des kaons violait donc la symétrie CP après tout.