Les électrons, les bosons de Higgs ou les photons n’ont pas beaucoup d’atouts. Ils possèdent un spin, une charge, une masse et… c’est à peu près tout. Parfois, ils ne possèdent qu’une quantité infime de certaines de ces caractéristiques. La masse d’une particule est donc une propriété importante à comprendre, car elle est à la base de la physique fondamentale des particules.
Qu’est-ce que la masse alors, au sens de sa signification physique ? Pourquoi certaines particules ont-elles une masse et d’autres non ? Et vous ne pensez peut-être pas que c’est important, mais la question la plus importante est : pourquoi les particules ont-elles une masse ?
Pour répondre à ces questions, et aller bien au-delà de ce qu’Albert Einstein savait de la masse, plongeons dans la physique des particules et la relativité générale.
La mesure de la masse
Un professeur m’a dit un jour que la meilleure définition d’une propriété physique est sa façon de la mesurer. En suivant cette définition, voyons comment nous mesurons la masse.
Lorsque vous montez sur une balance, que vous le vouliez ou non, elle enregistre votre poids. C’est parce que la Terre vous attire avec la force gravitationnelle. La force entre vous et la Terre existe parce que vous et la Terre avez tous deux une masse.
Stephanie Sicore/Flickr
Si vous montiez sur la même balance sur la Lune, elle n’enregistrerait qu’une fraction de votre poids sur Terre. Environ un sixième, pour être précis. (Il n’y a jamais eu de plan de régime plus efficace : perdez 83 % de votre poids corporel en vous rendant sur la Lune)
Votre poids sur la lune est moindre car la masse de la lune est inférieure à la masse de la Terre, et la force gravitationnelle entre la lune et vous est proportionnelle à la masse de la lune (M) et à votre masse (m). Elle est donnée par la formule F = GMm/(R2) où R est le rayon de la lune et G est la constante gravitationnelle de Newton.
La masse est la charge de l’interaction gravitationnelle et sans elle, aucune force gravitationnelle n’existe. Les physiciens appellent cette manifestation de la masse la masse gravitationnelle.
Lorsque vous ouvrez une porte, vous devez la pousser avec une certaine force, sinon la porte ne bougera pas. Cela est dû au fait que la porte a une masse qui se manifeste sous forme d’inertie, c’est-à-dire qu’elle s’oppose à ce que vous changiez l’état de son mouvement.
La deuxième loi de Newton stipule que la force dont vous avez besoin pour modifier l’état de mouvement d’un objet est proportionnelle à sa masse d’inertie (F = ma). Il est plus facile de pousser une porte légère qu’une porte lourde avec la même accélération.
La masse unifiée
Einstein a relié la masse gravitationnelle et la masse inertielle par le biais de son principe d’équivalence gravitationnelle. Le principe d’équivalence dit simplement que la masse gravitationnelle et la masse inertielle sont une seule et même chose.
Cependant, cette simple affirmation, associée à l’idée mathématique selon laquelle les équations de la physique ne doivent pas dépendre du cadre de référence, mène très loin. Les principales conséquences du principe d’équivalence sont les équations gravitationnelles d’Einstein. Ces équations spécifient comment la masse courbe l’espace et déforme le temps.
La signification des équations gravitationnelles d’Einstein est simple : la masse déforme l’espace-temps et l’espace-temps courbé déplace la masse. Si vous avez déjà vu une pièce de monnaie descendre en spirale dans un puits à souhaits en forme d’entonnoir, vous savez de quoi je parle.
Selon l’image géométrique de la gravité d’Einstein, la Terre tourne autour du soleil parce que ce dernier crée un puits gravitationnel en forme d’entonnoir dans le tissu de l’espace-temps et que la Terre y tourne tout comme la pièce de monnaie tourne dans le puits à souhaits.
Si le soleil n’avait pas de masse, le puits gravitationnel qui l’entoure n’existerait pas et la Terre s’envolerait tout droit. Si la Terre n’avait pas de masse, elle ne ressentirait pas la courbure du puits et s’envolerait en ligne droite. C’est la relativité générale dans une coquille de noix en forme d’entonnoir.
Einstein savait tout cela et bien plus encore. Après tout, c’est lui qui a écrit les livres sur la relativité, tant spéciale que générale. Il a compris comment la masse est liée à la gravité et à l’énergie.
La première relation est résumée par ses équations du champ gravitationnel, et la seconde est la très connue E = mc2. Malheureusement, il n’a jamais eu l’occasion d’apprendre POURQUOI toute chose a la propriété de la masse.
La masse, c’est plus que cela
La physique fondamentale moderne des particules nous a donné la réponse en 2012, lorsque le boson de Higgs a finalement été découvert.
La question est assez importante car, comme nous l’avons vu précédemment, sans masse, il n’y a pas de gravité. Ou bien existe-t-elle ? Eh bien, en fait, il y en a une.
Prenez un photon, par exemple. Un photon est la quintessence de l’absence de masse. Selon notre compréhension actuelle, l’une des lois fondamentales les plus profondes de la physique des particules, appelée symétrie de jauge, empêche toute particule porteuse de force, y compris les photons, d’acquérir la moindre masse.
Pourtant, un photon est attiré par le soleil. Les observations montrent clairement que la lumière d’une galaxie très, très lointaine, placée exactement derrière le soleil, peut être observée de part et d’autre du soleil. Le fait que le champ gravitationnel du soleil déforme la lumière a été utilisé pour prouver que la relativité générale était correcte en 1919.
La lumière interagit avec les champs gravitationnels en raison de l’équation E = mc2. Cette équation nous indique que, du point de vue gravitationnel, l’énergie et la masse sont équivalentes. Un photon transporte un tout petit peu d’énergie, il est donc légèrement attiré par le soleil.
Le fait que l’énergie gravite est important, car la majeure partie de la masse qui nous entoure est, en fait, de l’énergie. On sait que toutes les parties visibles des galaxies et des étoiles sont constituées principalement d’hydrogène, c’est-à-dire de protons et d’électrons.
La Terre est composée de nombreux atomes différents, mais ceux-ci ne sont constitués que de nucléons (protons et neutrons) et d’électrons. Les électrons sont 2 000 fois plus légers que les nucléons, et leur masse est donc beaucoup plus faible. Et, fait remarquable, la majeure partie de la masse des protons et des neutrons est de l’énergie stockée dans la colle.
La colle (ou gluon, en termes scientifiques) est la substance qui maintient les protons et les neutrons ensemble. Elle est le vecteur de la force forte. L’énergie de liaison stockée dans les gluons constitue la majeure partie de la masse des protons, des neutrons, de l’hydrogène et de tout autre atome.
Le rôle du boson de Higgs
Nous pourrions nous arrêter là, car nous avons compris l’origine de la majeure partie de la masse visible dans l’univers. Einstein ne savait pas d’où venait la masse des objets macroscopiques, mais la physique des particules l’a révélé à la fin du XXe siècle.
Il y a cependant un autre rebondissement dans l’histoire. Peut-être le plus étonnant. Si Einstein l’avait connu, il l’aurait certainement adoré.
Il s’agit du rôle du boson de Higgs dans la génération de la masse. Le champ de Higgs, c’est ce qui fournit la masse au niveau fondamental : il prête de la masse aux particules élémentaires. Le boson de Higgs, qui est l’excitation du
L’histoire du boson de Higgs a commencé par un problème sérieux en physique des particules. À la fin du XXe siècle, il était évident que les symétries de jauge, mentionnées plus haut, sont des lois fondamentales et qu’elles interdisent toute masse des porteurs de force.
Pourtant, en 1983, des porteurs de force massifs, les bosons W et Z, ont été découverts par le Large Electron-Positron (LEP) (le prédécesseur du Large Hadron Collider (LHC)).
L’énigme était de taille : l’une des lois les plus fondamentales de la nature, l’invariance de jauge, était en jeu. Renoncer à l’invariance de jauge aurait signifié recommencer la physique des particules à zéro.
Étonnamment, les théoriciens intelligents ont trouvé un moyen d’avoir le beurre et l’argent du beurre ! Ils ont introduit le mécanisme de Higgs, qui nous permet de préserver les symétries de jauge au niveau fondamental, mais de les briser de telle sorte que, dans notre univers particulier, les particules massives W et Z restent possibles.
Cette incroyable astuce a valu à Sheldon Glashow, Abdus Salam et Steven Weinberg que les neutrinos ou quarks aient une masse. prix Nobel de physique 1979. Outre les porteurs de force, le mécanisme de Higgs confère également une masse aux particules de matière fondamentale, expliquant pourquoi les électrons,
La contribution de la masse fondamentale des électrons, des quarks ou des neutrinos est toutefois négligeable par rapport à la masse générée par la colle qui nous entoure. Cela signifie-t-il donc que le boson de Higgs est négligeable au niveau atomique ?
La réponse est non ! Sans le boson de Higgs, les électrons n’auraient pas de masse et tous les atomes se désagrégeraient. Les neutrons ne se désintégreraient pas, de sorte que même les noyaux atomiques auraient un aspect très différent. Dans l’ensemble, l’univers serait très différent, sans galaxies, étoiles et planètes.
Et puis il y a eu les trucs sombres
Donc, maintenant nous savons tout sur la masse, n’est-ce pas ? Malheureusement non. Seuls 5 % de la masse de l’univers entier proviennent de la matière ordinaire (dont on connaît la masse).
Près de 70 % de la masse de l’univers provient de l’énergie noire et environ 25 % de la matière noire.
Non seulement nous n’avons aucune idée de la nature de cette masse, mais nous ne savons même pas de quoi est composé le secteur sombre. Restez donc à l’écoute car l’histoire de la masse continue, bien au-delà du millénaire.
Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l’article original.