Modèle standard (physique des particules) - Définition

Défauts du modèle standard

Les trois familles de fermions

Le modèle standard ne prédit pas pourquoi il existe trois générations de fermions portant les mêmes charges, mais dans des gammes de masse très différentes. La masse du quark u est de l'ordre du MeV.c^-2 alors que celle du t est de l'ordre de 170 GeV.c^-2. D'autre part, rien ne dit qu'il n'existe pas d'autres familles. En date de 2008, aucune théorie au-delà du modèle standard n'explique de manière précise l'existence de ces trois familles. L'unitarité de la matrice CKM est un test sensible de l'existence d'une autre génération de fermions.

Les problèmes de jauges

Le lagrangien de jauge du modèle standard est composé de trois symétries internes aux particules U(1), SU(2) et SU(3). De la même façon que pour les familles de fermions, rien n'interdit l'existence de sous groupes de symétries. Ceci est d'ailleurs un sujet cher aux théories de grande unification, qui permettent en principe d'expliquer ces symétries en les incluant comme sous-groupes d'un groupe plus large que les trois premiers. Le groupe mathématique SU(5) aurait pu convenir et c'est sur lui que reposait la théorie de la Grande Unification (GUT en anglais). Mais cette symétrie de jauge compliquait le modèle standard en obligeant à postuler 24 bosons, et surtout, elle prédisait la désintégration des protons, qui n'a jamais été observée expérimentalement.

Les particules ou quanta de champ

Pour chacune des forces fondamentales, il existe des particules, dites de champ, supports de ces forces. Ce sont des bosons, c'est-à-dire qu'elles obéissent à la statistique de Bose-Einstein. Les bosons ont un spin entier et peuvent coexister entre eux dans le même état quantique.

Les particules de champ peuvent être réelles ou virtuelles. Dans ce dernier cas, elles ont une durée d'existence extrêmement brève et sont observées indirectement par leur action, qui consiste essentiellement à transmettre les forces fondamentales. C'est d'ailleurs pourquoi ces particules virtuelles sont aussi appelées « particules messagères » ou « médiateurs ».

Les différents bosons décrit par le modèle standard sont :

• le photon « γ » ( de spin 1, et de masse et charge nulles), médiateur de la force électromagnétique ;
• 3 bosons intermédiaires (de spin 1 et de masse élevée), dits aussi bosons faibles, médiateurs de la force faible : les bosons « W ⁺  » , « W ⁻  » et « Z⁰ » ;
• 8 gluons (de spin 1 et de masse nulle), médiateurs de la force forte.

À ces particules, il faut ajouter un ou plusieurs bosons de Higgs (de spin 0, qui sont des champs scalaires), supposés conférer leur masse aux autres particules par un mécanisme de brisure spontanée de symétrie appelé dans ce cadre le mécanisme de Higgs. Ces bosons n'ont pas encore été officiellement détectés, bien que l'on soupçonne avoir aperçu leur trace dans certaines collisions observées au CERN. Leur existence sera en principe définitivement établie ou réfutée dans le cadre des nouvelles expériences mises en place au LHC qui a été mis en service le 10 septembre 2008.

Critiques

Selon Alain Connes, « personne ne pense que le modèle standard soit le fin mot de l'histoire surtout à cause du très grand nombre de paramètres libres qu'il contient. »