physique

   Einstein avait un problème avec la physique de Newton : il n’arrivait pas à comprendre comment elle acceptait qu’un objet éloigné puisse avoir une influence immédiate sur un autre corps puisque, pour lui, la vitesse de la lumière était finie et indépassable. Par ailleurs, les lois de Newton semblaient s’appliquer assez justement aux phénomènes observables dans notre environnement proche mais qu’en était-il au-delà ? Il s’attela donc à repenser entièrement l’ensemble de l’édifice théorique et à écrire les formules mathématiques justifiant une nouvelle approche. Dès 1905, il publia sa théorie de la relativité restreinte qui concernait les phénomènes utilisant des vitesses constantes avant, dix ans plus tard, de généraliser sa théorie en y incluant la gravitation.

   Il expliqua que la physique newtonienne s’appliquait assez justement tant qu’elle ne concernait pas les « grands espaces » car, en effet, ses approximations, forcément infimes à notre échelle, ne sont guère perceptibles. Du coup et afin de convaincre les hésitants, sa théorie devait pouvoir corriger les  « imprécisions newtoniennes » et c’est bien ce qu’il se passa. Il restait un phénomène prévu par la théorie d’Einstein mais jamais encore observé : les ondes gravitationnelles. C’est à présent - et depuis quelques mois - chose faite.

Les grandes lignes de la physique einsteinienne

   Dans la théorie de la relativité restreinte qui, rappelons-le, ne concerne que les phénomènes se déroulant à vitesse constante, on trouve des éléments fondamentaux comme :

         * la constance de la vitesse de la lumière (exactement 292 792 458 m/sec, soit un peu moins de

300 000 km/sec), vitesse indépassable. Dans le système solaire, les distances bien que gigantesques à nos yeux sont en réalité très modestes à l’échelle de l’Univers : elles se calculent en minutes-lumière, voire en heures-lumière pour l’éloignement des planètes géantes de notre système. Toutefois, l’étoile la plus proche du Soleil (alpha dite Proxima du Centaure) est actuellement située à près de 4 années-lumière et notre galaxie (qui mesure entre 70 000 et 100 000 années-lumière de longueur) est située à des millions d’années-lumière de sa proche voisine Andromède : nous ne sommes plus dans le même ordre de grandeur et les approximations de la physique newtonienne ne sont plus acceptables à si grande échelle.

         * il existe une stricte équivalence entre énergie et matière comme le résume fort bien la célèbre formule E = mc² (l’énergie d’un objet de masse m au repos est égale à sa masse que multiplie le carré de la vitesse de la lumière). Or, dans cette formule c² est forcément gigantesque (le carré de 300 000 000  !) et cela veut donc dire que le fait de faire disparaître une infime quantité de matière m produit une énergie colossale. Pour illustrer cela, on prend souvent l’exemple d’un gramme de matière qu’on anéantirait avec un gramme d’antimatière : l’énergie produite serait équivalente à la bombe d’Hiroshima…

         * l’espace et le temps sont liés et ne peuvent être dissociés. On vient de dire que la vitesse de la lumière ne pouvait être dépassée et qu’elle est constante dans un référentiel inerte (c’est-à-dire sans accélération) : de ce fait, si la vitesse de la lumière est constante, la variation ne peut venir que du temps… Le temps peut ralentir, s’accélérer voire se dilater indéfiniment  ! Il s’agit d’une notion difficile à comprendre pour nos esprits confrontés à la petitesse de notre environnement. Bien entendu, les contemporains d’Einstein eurent eux aussi du mal à admettre ces notions et il leur fallait des preuves.

   De plus, la relativité restreinte ne concerne, on vient de le dire, qu’une approche locale des phénomènes physiques, concernant des vitesses constantes, sans accélération. Ce qui ennuyait fortement Einstein qui souhaitait « généraliser » sa théorie à l’ensemble des situations et c’est la raison pour laquelle, dix ans plus tard, en 1915, il présenta une théorie de la relativité, générale cette fois.

   Cette généralisation de la relativité restreinte intègre la gravitation et cela change beaucoup de choses. La

première conséquence en est que, dans ce modèle, l’espace est déformable : tout objet entraîne la courbure plus ou moins importante de l’espace où il se trouve et l’importance de cette courbure sera proportionnelle à la valeur de sa masse. Du coup, l’espace déformé est une sorte de cuvette plus ou moins profonde au centre de laquelle siège l’objet et la distance entre deux points ne sera plus une ligne droite mais une ligne courbe plus ou moins inclinée selon la pente de la cuvette : on parle alors de géodésique.

   Au-delà de l’aspect quelque peu inhabituel du concept, on pourrait éventuellement penser qu’il s’agit en réalité de détails mais c’est tout le contraire. En effet, si un plus petit objet se trouve à proximité d’un plus gros, comme, par exemple, la Terre à proximité du Soleil, le plus petit s’approchera du plus gros en suivant une géodésique et non une ligne droite : il ne « tombera » alors pas sur le plus gros mais se mettra en orbite autour de lui… Cette courbure que l’objet le plus gros crée autour de lui et qui « capture » l’objet le plus petit se fait à la vitesse de la lumière et, du coup, la théorie répond à ce qui paraissait incompréhensible dans la physique newtonienne.

   À la suite de la publication de sa théorie de la relativité générale, Einstein tenait quelque chose de complètement nouveau qui permettait d’avoir un regard neuf sur l’Univers et ses lois. Il n’en restait pas moins qu’il s’agissait d’une théorie, séduisante certainement, mais une théorie qu’il fallait valider.

Les preuves progressivement acquises

   Nous ne reviendrons que succinctement sur les différentes « preuves » de la validité de la relativité générale, le sujet ayant déjà été traité (voir : théorie de la relativité générale).

   La première réponse de la théorie concerna un problème exclusivement astronomique : l’avance du périhélie de Mercure, c’est-à-dire le point le plus proche de Mercure par rapport au Soleil, un problème que la physique de Newton ne savait pas résoudre : la Relativité l’explique parfaitement.

   Vint ensuite la preuve par l’observation de mirages gravitationnels (ou lentilles gravitationnelles) : il s’agit ici

du chemin parcouru par une lumière lointaine lorsqu’elle arrive à proximité d’un objet de masse importante situé entre elle et l’observateur. Si l’espace est réellement courbé par l’objet, la lumière provenant de l’objet lointain prendra plusieurs chemins dans la « cuvette » ainsi formée (géodésiques) par l’objet intermédiaire et l’observateur verra l’image de l’objet lointain plusieurs fois… On profita d’une éclipse de soleil en 1919 (c’était lui l’objet massif) et on constata la déviation de la lumière d’étoiles fixes parfaitement connues au passage de notre étoile. C’était une confirmation éclatante de la théorie et nul ne se risqua plus à la mettre réellement en doute : son inventeur devint du jour au lendemain un des scientifiques les plus célèbres du monde.

   D’autres expériences dites « relativistes » restaient à faire pour conforter le bien-fondé de la Relativité générale et, au fil des années, la technique aidant, elle furent réalisées, chaque fois avec un résultat positif. Toutefois, une preuve manquait à l’appel en raison de la grande difficulté à recueillir les informations sur le phénomène : l’observation d’ondes gravitationnelles.

Les ondes gravitationnelles

* la théorie

   Puisque l’espace et le temps ne font qu’un, chaque fois qu’il se produit un événement massif dans l’Univers, la conséquence en est un réajustement local et la création de très faibles perturbations qui se propagent dans l’espace à la vitesse de la lumière. Ces ondulations ressemblent à celles qu’on peut observer à la surface d’un lac lorsqu’on y jette un caillou. Ce sont ces perturbations infimes de l’espace-temps que l’on appelle ondes gravitationnelles. En réalité, il existe deux types d’ondes gravitationnelles : celles qui sont apparues juste après le Big bang et qu’on appelle les ondes primordiales et celles qui correspondent aux déplacements d’objets massifs dans l’Univers.

   Il s’agit d’un phénomène qui a été théorisé des 1916 par Einstein. Toutefois, on savait depuis le début qu’il serait très difficile d’enregistrer ces ondes car deux paramètres entrent en jeu : 1. La puissance du phénomène qui doit être majeur pour être perceptible (la simple explosion d’une étoile, même géante, ne suffisant pas) et 2. La finesse d’enregistrement des instruments susceptibles de mettre en évidence l’événement : on estime qu’un plissement gravitationnel entre la Terre et la Lune aurait l’épaisseur… d’un atome.

   Ajoutons à cela que les scientifiques n’étaient pas certains de la validité de la théorie sur ce point précis ; Einstein lui-même était revenu à plusieurs reprises sur ce qu’il pensait, se demandant s’il existait vraiment une réalité physique au phénomène ou s’il ne s’agissait pas tout bêtement d’un problème mathématique dépendant du choix du système de coordonnées retenu, ce que les spécialistes appellent un « effet de jauge ».

* la première preuve indirecte

   En 1974, deux astronomes américains, Russell Hulse et Joseph Taylor, étudiaient le pulsar PSR1913+16. Rappelons qu’un pulsar est le stade terminal de la vie d’une étoile massive, lorsque l’enveloppe externe de l’étoile a disparu et

qu’il ne reste plus que qu’un cœur hypermassif sous forme d’une étoile à neutrons. Une étoile à neutrons tourne plusieurs centaines de fois par seconde sur elle-même, projetant un faisceau de radiations à la manière d’un phare d’où le nom de pulsar. Toutefois le pulsar étudié par les deux scientifiques avait la particularité d’être formé de deux étoiles à neutrons et, du coup, on pouvait calculer la période orbitale du couple. Or les calculs montraient que cette période orbitale décroissait d’un millième de seconde chaque année… très certainement du fait de la formation d’ondes gravitationnelles. Prix Nobel de physique pour les deux chercheurs en 1993 et grande avancée de la théorie de la relativité mais... on était toujours à la recherche d’une preuve directe.

* l’observation de LIGO

   Le 14 septembre 2015, à très précisément 9h51 (temps universel) soit 11h51, heure de Paris, deux interféromètres, situés à 3000 km l’un de l’autre et constituant l’expérience nommée LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), enregistrèrent simultanément le passage d’une onde

gravitationnelle. On a déjà dit qu’il fallait un  événement considérable pour que puisse être mis en évidence cette très faible fluctuation de l’espace-temps : cet événement s’est produit il y 1,3 milliard d’années lors de la collision de deux trous noirs. On peut dire la chose différemment : en dépit de sa vitesse prodigieuse (300 000 km/sec), cette déformation parcourant l’Univers aura mis 1,3 milliard d’années à nous parvenir… Oui, l’Univers est immense…

   Ce cataclysme ancien s’est produit quelque part dans l’hémisphère sud sidéral sans que l’on puisse apporter d'autres précisions (il aurait fallu plus d’interféromètres pour une meilleure localisation). Les deux trous noir « pesaient » respectivement 29 et 36 fois la masse du Soleil et ils ont fusionné dans un maelstrom cataclysmique pour aboutir à un super trou noir d’environ 62 masses solaires : les « 3 masses solaires manquantes » ont été converties en énergie précisément véhiculée par les ondes gravitationnelles. C'est cette contraction infinitésimale qu'ont enregistrée les capteurs de LIGO : infinitésimale, en effet, puisque la contraction de l'espace observée était de l'ordre de 100 000 milliards de fois inférieure à un cheveu !

   Outre la mise en évidence des ondes gravitationnelles et la déformation de l’espace-temps, l’observation LIGO a dans le même temps définitivement établi l’existence des trous noirs dont quelques scientifiques doutaient encore. Et valider encore une fois s’il en était besoin la théorie einsteinienne de la relativité générale…

Une nouvelle astronomie

   Il est entendu que le fait d’avoir enregistré pour la première fois des ondes gravitationnelles est un événement considérable, la consécration de la pensée théorique et de l’observation scientifique. Pourtant, ce n’est peut-être pas là le principal : en démontrant la réalité de ces ondes si longtemps recherchées, c’est tout l’avenir de l’astronomie des espaces lointains qui est transformé.

   En effet, toute une partie de l’Histoire de l’Univers jusqu’à présent inaccessible avec nos outils classiques le devient grâce à l’interférométrie spécialisée : on imagine que l’explication d’événements tels que des coalescences de trous noirs, l'explosion d'étoiles géantes, la chute d’étoiles à neutrons sur l’horizon de trous noirs, bien d’autres phénomènes galactiques mal élucidés sont à portée de main. Mais on peut surtout espérer que cette nouvelle approche de l’exploration astronomique nous permettra de pénétrer les premiers instants de la formation de l’Univers, juste après le Big bang, durant ces fameuses 380 000 premières années alors que la lumière n’était pas encore apparue. On pourra donc peut-être voir au-delà du rayonnement fossile, ce fameux fonds diffus cosmologique qui était jusqu’à présent pour tous une limite indépassable…

Cette percée marque la naissance d'un domaine de l'astrophysique entièrement nouveau, comparable au moment où Galilée a pointé pour la première fois son télescope vers le ciel au XVIIe siècle

 (France Cordova, National Science Foundation, USA)

Sources :

* Wikipedia France (https://fr.wikipedia.org/)

* Revue Science et Avenir (http://www.sciencesetavenir.fr/)

* Jean-Pierre Luminet, astrophysicien

 (http://blogs.futura-sciences.com/luminet/)

* journal Le Monde (http://www.lemonde.fr)

* revue Science & Vie (http://www.science-et-vie.com)

Images

1.  vue d’artiste d’ondes gravitationnelles générées par la coalescence de deux trous noirs (source : tempsreel.nouvelobs.com)

2. Albert Einstein (sources : mirror.co.uk)

3. le couple Terre-Lune (sources : anarchies.e-monsite.com)

4. mirage gravitationnel "la croix d'Einstein (sources : univers-astronomie.fr)

5. vue d'artiste d'un pulsar (sources : maxisciences.com)

6. interféromètre du projet LIGO (sources : www.sciencemag.org/)

7. fonds diffus cosmologique (sources : astro.kizix.org)

(pour lire les légendes des illustrations, passer le curseur de la souris dessus)

Mots-clés : Albert Einstein - théorie de la relativité générale - avance du périhélie de Mercure - mirages gravitationnels - période orbitale - rayonnement fossile

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1. théorie de la relativité générale

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3. fonds diffus cosmologique

4. pulsars et quasars

5. trous noirs

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mise à jour : 19 mars 2023

     Depuis quelques semaines, la presse, généraliste et spécialisée, bruisse autour d’une étrange appellation : le boson de Higgs. Cette particule, découverte au CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) le 4 juillet 2012 (avec 99,9% de certitude !) était le chaînon manquant du « modèle standard » expliquant la physique des particules : nous aurons l’occasion d’y revenir. Auparavant il convient de « tordre le cou » à une fausse dénomination. En effet, de temps à autre et certainement pour la recherche de sensations extrêmes, on trouve dans la presse la terminologie : « le boson de Higgs ou la particule de Dieu ». Il s’agit là d’un contresens et d’une stupidité. La réalité est la suivante : le prix Nobel de physique (1988), Léon Lederman, qui s’impatientait de ne pas pouvoir trouver cette particule insaisissable voulait l’appeler dans un livre « the Goddamn particle » ce qui veut dire la « satanée » ou la « fichue » particule. Son éditeur, de peur que le titre soit considéré comme grossier ou injurieux, décida de supprimer la deuxième syllabe (damn) de l’adjectif qui devint dès lors… God. D’où l’erreur colportée ensuite par un ensemble d’ignorants. Non, le boson de Higgs n’est pas la particule de Dieu mais c’est quoi, au juste ?

Les constituants de la matière

     Tout d’abord un peu d’histoire (récente) : c’est à Becquerel en 1896 que l’on doit la découverte de la radioactivité naturelle à partir de sels d’uranium. Deux ans plus tard, Pierre et Marie Curie identifient un nouvel élément radioactif, le radium, mais c’est à Rutherford que revient le mérite de démontrer que ces atomes radioactifs émettent des rayonnements dont on sut ensuite que les béta correspondaient à des électrons et les alpha à des noyaux d’hélium. C’est donc à partir de ce moment que l’on sut de façon définitive qu’il y avait effectivement plus petit que l’atome des Grecs anciens.

     Reprenons autrement. Dans le monde de l’infiniment petit, on a longtemps pensé que les atomes (qui, en s’assemblant, forment des molécules) étaient la plus petite partie possible de la matière. En fait les atomes sont composés d’un noyau plus ou moins gros (façon de parler) dans la proximité duquel interagissent avec lui des électrons (de charge négative), l’ensemble formant théoriquement un ensemble stable. Allons encore plus avant : le noyau d’un atome est formé de protons (charge positive) et de neutrons (neutres). Si l’électron est insécable, ce n’est pas le cas des neutrons et des protons qu’on peut dissocier en particules encore plus petites, les quarks (voir le sujet : les constituants de la matière).

    Dans la physique subatomique ou physique quantique, on s’intéresse avant tout aux interactions entre ces différentes particules dites élémentaires.  On cherche évidemment à savoir quelles sont les particules en jeu mais également comment elles se lient les unes aux autres car qui dit liaison (ou attraction) dit matière et donc d’autres particules comme agents de liaison ; en effet, dans le monde de la physique, il n’y a aucune place pour l’immatériel : tout est matière et rien que matière… On subdivise donc toutes ces particules en deux groupes : les fermions et les bosons. Les fermions sont nos particules élémentaires comme les quarks ou les électrons (et donc la matière proprement dite). Mais pour que ces particules puissent interagir ou se lier les unes aux autres, il est indispensable d’introduire des particules de liaison, particules qu’on appelle des bosons. Du coup, à chaque fermion doit correspondre un boson qui lui est propre et qui lui permet de réagir avec les autres fermions.

Quatre forces dans l’Univers

     Quatre forces principales assurent l’équilibre de l’Univers et les rapports entre ses différents constituants :

* le magnétisme et l’électricité qui donnent l’électromagnétisme,

* l’interaction faible qui permet la désintégration radioactive,

* l’interaction forte qui permet la cohésion entre les quarks et donc la solidité des noyaux des atomes et

* l’interaction gravitationnelle qui explique la chute des corps et leurs interactions (la marche des planètes ou… la pomme de Newton, par exemple). J’ai déjà eu à maintes reprises l’occasion de préciser qu’il n’était pas encore possible de faire coïncider la relativité générale qui explique la gravitation et donc l’Univers visible avec la mécanique quantique qui s’intéresse aux trois autres forces, celles de l’infiniment petit.

     Intéressons-nous uniquement aujourd’hui à ces trois forces-là que les scientifiques ont regroupées dans ce que l’on appelle le modèle standard.

     Dans les années 60, les physiciens sont arrivés à unifier deux de ces trois forces : l’électromagnétisme et l’interaction faible (d’où d’ailleurs l’appellation de théorie électrofaible) mais quelles en sont les particules intervenantes ? Pour la force électromagnétique, aucun problème : ce sont les photons (les particules de lumière) dont on sait qu’ils n’ont pas de masse. En revanche, pour l’interaction faible (la désintégration atomique), les bosons en cause (vous vous rappelez : les particules de liaison), appelés ici W et Z, doivent être terriblement massifs (ce sont les équations qui le disent)… ce qui n’est pas compatible avec la théorie électrofaible ! Gros problème. Du coup, il y a une cinquantaine d’années, Peter Higgs (et deux scientifiques belges, Robert Brou et François Englert) avancent une hypothèse : et s’il existait un autre boson qui donnerait leur masse aux bosons W et Z ? Une autre particule de type boson qui, par sa présence, expliquerait la masse importante (et contraire à la théorie) des bosons W et Z de l’interaction faible ? C’est bien cela que veulent dire les vulgarisateurs scientifiques en avançant que cette nouvelle particule de liaison dite boson de Higgs donne « de la masse » aux autres particules.

     Oui, mais tout cela restait de la théorie… jusqu’à ce que l’on mette effectivement en évidence ce fameux boson de Higgs. Une recherche qui dura 50 ans.

Le boson de Higgs

     L’hypothèse avancée par Higgs (et les autres) est la suivante : immédiatement après le Big bang (voir le sujet : Big bang et origine de l'Univers), les particules n’avaient pas de masse. Mais l’Univers s’est rapidement refroidi et, à partir d’une certaine température, s’est créé un champ de force invisible dit « champ de Higgs » auquel est associé un boson spécifique (une particule de liaison) le boson de Higgs. Ce boson est universel, c'est-à-dire partout présent, et plus une particule interagit avec lui, plus elle a de masse. A l’inverse, des particules comme les photons ou les neutrinos (voir glossaire) qui n’ont pas de contact avec lui n’ont pas de masse. On retrouve ainsi une théorie cohérente et les équations redeviennent logiques. Il restait donc à le trouver, ce boson de Higgs, et ce d’autant que l’on ne connaissait pas sa masse à lui…

     Pour le mettre en évidence, il fallait construire une énorme structure, un accélérateur de particules dont le plus récent (et le plus puissant) est celui du CERN à la frontière franco-suisse. Cette machine, le LHC (Large Hadron Collider), entra en service en 2008, approximativement au moment où les Américains abandonnèrent leur propre projet (ce qui explique la diversité des personnels scientifiques autour du LHC). Quel en est le principe ? Il s’agit d’accélérer des faisceaux de protons tournant en sens contraire dans un étroit tunnel circulaire souterrain de 26,5 km de long. Lors de leur collision, ces protons dégagent une énergie de 7 000 GeV, c'est-à-dire une énergie correspondant au tout premier temps du Big bang. Que l’on se rassure toutefois, l’affaire – microscopique – ne dure que quelques millionièmes de seconde ! C’est justement ce délai très court qui est le problème : le boson de Higgs notamment est plutôt difficile à mettre en évidence en raison de sa durée de vie très brève…

     Après quelques ennuis de départ, le LHC démarra réellement début 2011 et, avant même qu’il ait atteint l’ensemble de ses possibilités, le 4 juillet 2012, après avoir colligé les millions de traces laissées par la création et la destruction des particules observées, les scientifiques ont pu conclure « à la très grande probabilité » (99,9%) de la découverte du boson de Higgs : vers la fin 2012, nous en aurons la confirmation définitive.

Quel est l’intérêt de cette découverte ?

     De mauvais esprits nous disent qu’avoir mis 7 milliards d’euros dans ce projet du CERN était insensé, l’argent ayant pu être mieux utilisé ailleurs (où ?). Je suis totalement en désaccord avec ces esprits rétrogrades. Pour peu que la découverte du boson de Higgs soit confirmée, ce sera important dans la validation du modèle standard des particules et, par voie de conséquence, dans notre compréhension de l’Univers qui nous entoure et de la matière qui le compose. Ce sera un pas important mais un pas seulement car il reste encore bien des données qui nous restent inconnues, au premier rang desquelles cette unification tant attendue entre physique quantique et relativité générale.

     Je rappelle également à ces détracteurs qu’il est impossible de savoir par avance à quoi nous conduit une théorisation en science fondamentale. La mécanique quantique, si difficile à comprendre, (voir le sujet : mécanique quantique) fut terriblement décriée à ses débuts au point que ses concepteurs passaient pour des incapables ou des farfelus. Pourtant, sans elle, pas de laser, ni de transistors ou encore d’énergie nucléaire…

     Avoir pu mettre un terme à une quête théorique de plusieurs dizaines d’années est un exploit et, d’une certaine façon, un moyen de reprendre espoir en la capacité de nos sociétés si malmenées ces temps-ci.

Sources

. Wikipedia France (fr.wikipedia.org)

. 1jour1actu.com

. www.agoravox.fr

. www.lalsace.fr

. public.web.cern.ch

Glossaire

* Neutrino : on s’est rapidement aperçu que, en physique nucléaire,  la désintégration béta des atomes ne semble pas respecter les lois immuables de la conservation d’énergie. Du coup, en 1933, le physicien Wolfgang Pauli propose l’existence d’une particule spéciale de charge électrique nulle qu’il appelle neutrino et qu’il intègre dans sa théorie de l’interaction faible. Le premier neutrino (il en existe trois sortes) est découvert en 1956 par Reines et Cowan (les deux autres en 1962 et 2000).

Images

 1. l'accélérateur de particules du CERN (sources : www2.cnrs.fr)

 2. structure de l'atome (sources : astro-canada.ca)

 3. Peter Higgs (sources : 72.29.68.249)

4. simulation de la formation d'un boson (sources : CMS in www.lefigaro.fr/) 

5. visualisation du circuit du LHC (sources : grindaizer.blogspot.com)

6. le LHD du CERN (sources : admiroutes.asso.fr)

(pour lire les légendes, passer le pointeur de la souris sur les images)

Mots-clés : CERN - Léon Lederman - radio-activité naturelle - électron - proton - neutron - quark - électromagnétisme - interaction faible - interaction forte - gravité universelle - relativité générale - mécanique quantique - Peter Higgs - LHC

 (les mots en gris revoient à des sites d'informations complémentaires)

Sujets apparentés sur le blog

1. théorie de la relativité générale

2. mécanique quantique

3. les constituants de la matière

4. Big Bang et origine de l'Univers

5. juste après le Big bang

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      Aujourd’hui, toute personne s’intéressant quelque peu à l’astronomie ou à la paléontologie sait que la Terre est âgée d’environ 4,5 milliards d’années et qu’elle est née approximativement en même temps que son étoile, le Soleil. Il n’en fut pas toujours ainsi : vers le milieu du XIXème siècle, deux écoles de pensée s’opposaient sur l’âge véritable de notre planète et les congrès scientifiques sur cette question donnaient alors lieu à des disputes parfois violentes, voire à quelques empoignades mémorables ; en effet, les physiciens avançaient l’âge maximal de 50 millions d’années tandis que les géologues parlaient plutôt en termes de centaines de millions d’années (ce qui était également l’opinion de Darwin qui pensait – à juste titre – qu’il fallait beaucoup de temps pour que les espèces évoluent et se transforment). Sans oublier tous ceux qui, appliquant à la lettre les enseignements des textes bibliques – et il y avait parmi eux quelque savants –, ne démordaient pas d’une création de la Terre remontant à environ six mille ans. Cette querelle – il s’agissait effectivement plus d’une polémique et même d’une dispute que d’une simple controverse – dura un demi-siècle ! Ce fut probablement le désaccord le plus long et un des plus virulents ayant jamais opposé des scientifiques de premier ordre et il ne me semble pas inintéressant de revenir sur les arguments des uns et des autres.

Le point de départ : Charles Lyell

     Né en 1797, Charles Lyell se destinait en fait à une carrière de droit mais il était passionné par la géologie qu’il avait toujours plus ou moins pratiquée. En 1828, Lyell voyage en Italie et dans le sud de la France : à cette occasion, il étudie diverses couches géologiques et leur trouve une unité en ce sens que ces différentes strates peuvent toutes être classées selon les fossiles d’animaux marins qu’elles renferment. Il en déduit une notion de continuité dans le temps, un temps qui ne peut être que nécessairement assez long. Deux ans plus tard, il commence à publier ses « principes de géologie », un véritable « pavé dans la mare » du catastrophisme qui prévalait à l’époque.

     En ce temps-là, en effet, à la suite de Cuvier (et d’autres grands noms), on pensait que la Terre s’était créée très rapidement (en quelques milliers d’années) à cause d’événements violents, catastrophiques (d’où le nom de la théorie) comme, par exemple, le Déluge. Cette approche avait par ailleurs le gros avantage de ne pas brusquer les esprits religieux de ceux qui accordaient à la Bible le statut de témoignage authentique du passé. Lyell comprend qu’il remet en question bien des idées reçues mais il a une certitude : pour obtenir les couches géologiques qu’il a étudiées, il faut du temps et non des événements brutaux. Il redonne alors toute leur place aux idées de James Hutton, un géologue qui, quelques années plus tôt, avait avancé que la Terre s’était formée graduellement et que les éléments qui avaient permis cette création étaient encore présents et actifs. Pour Hutton, la Terre était « infiniment » vieille et il avait appelé sa théorie « uniformitarisme » (ou actualisme), expliquant que les transformations observées des roches et des océans en un endroit précis s’étendaient forcément sur une durée de temps obligatoirement fort longue (on ne connaissait pas encore la tectonique des plaques) mais, à l’époque, il ne fut guère écouté. Lyell défendit donc cette approche aux dépens du catastrophisme ambiant et cela devait avoir une grande importance dans la suite des événements.

     En effet, quelques années plus tard, Charles Darwin croit reconnaître dans diverses espèces vivantes (mais également disparues) des ressemblances qui ne peuvent s’expliquer que parce que ces espèces dérivent les unes des autres (voir le sujet : les mécanismes de l’évolution). Darwin avait lu avec attention les principes de géologie de Lyell et avait compris ce qu’ils impliquaient : la transformation – ou plutôt l’évolution – des espèces devenait crédible s’il lui était accordé un laps de temps suffisant ce que précisément le catastrophisme ne pouvait pas lui offrir. Après avoir longtemps hésité, Darwin publie « l’origine des espèces » en 1859, non sans insister sur tout ce qu’il doit à Lyell, et le livre entraînera les remous que l’on sait. Darwin, se basant sur une évaluation empirique de l’érosion de la croute terrestre, se risque à avancer pour l’âge de la Terre une date qui lui paraît compatible avec la théorie qu’il défend : 300 millions d’années. Mais devant la levée de boucliers des catastrophistes, dans la seconde édition de son livre, il renonce à donner un chiffre tout en continuant à proclamer que Lyell a forcément raison, ce dernier étant d’ailleurs en retour un des premiers scientifiques de renom à le soutenir.

La contestation : Lord Kelvin

     William Thomson – plus connu sous le nom de Lord Kelvin – était un très célèbre physicien puisqu’il avait – entre autres - donné son nom à une échelle de température absolue : le kelvin (la température de 0 K est égale à -273,15 °C et correspond au zéro absolu). Or, il était très dubitatif quant à la théorie de Darwin et, plus encore, sur les échelles de temps défendues par Lyell : il chercha donc à démontrer que tous ces gens-là se trompaient… Il entreprit de s’appuyer sur les lois de la thermodynamique pour évaluer l’âge de la Terre et, d’emblée, une certitude s’imposa à lui : la Terre et le Soleil devaient être relativement jeunes sinon les deux astres ne seraient plus – et depuis longtemps- que des corps froids et inhabitables ; il était impossible, selon Kelvin, que les géologues aient raison car les chiffres qu’ils proposaient – des centaines de millions d’années – étaient bien trop élevés et, pour tout dire, fantaisistes.

     La réputation mondiale de Lord Kelvin était alors telle que les géologues ne purent que s’incliner. Quelques années plus tard, en 1862, Kelvin publia le résultat de ses travaux sur la diffusion de la chaleur dans l’espace qui concluaient à un âge maximal de la Terre ne pouvant en aucun cas dépasser 100 millions d’années. C’était bien peu pour les géologues qui se demandèrent alors s’ils n’avaient pas sous-estimé les caractéristiques physiques de l’érosion de la croûte terrestre et très dérangeant pour un homme comme Darwin qui trouvait que 100 millions d’années, c’était décidément très insuffisant pour expliquer le long cheminement de l’Evolution, mais bon… Seul, Thomas Huxley, ami proche du naturaliste et grand vulgarisateur de la théorie de l’Evolution, n’accepta jamais les conclusions du physicien, estimant que celui-ci devait forcément se tromper quelque part mais sans pouvoir dire où, ni de quelle manière… Il demeura toutefois bien seul sur sa position et les chiffres de Kelvin finirent par s’imposer au point que même Lyell retira ses propres estimations de la réédition de ses « principes de géologie ». Darwin quant à lui rectifia, certes à contrecœur, certains passages de ses livres afin de prendre en compte une vitesse d’évolution des espèces bien plus rapide qu’il ne l’avait primitivement estimée.

     En 1897, lord Kelvin publia de nouveaux travaux avec des calculs plus affinés qui concluaient à des chiffres encore plus petits : 20 à 40 millions d’années pour l’âge de la Terre ! C’était assurément un démenti définitif aux chiffres avancés par les tenants de l’authenticité biblique mais qui était loin de faire le bonheur des géologues et des Darwiniens. L’affaire en resta là jusqu’au début du siècle suivant et, la chose est assez rare pour être signalée, c’est à un physicien que l’on devra la levée de l’interdit jeté par un autre physicien…

La solution : Ernest Rutherford

     C’est en effet un physicien qui va apporter les éléments de résolution de cette querelle entre les géologues (et naturalistes) et les représentants de sa discipline… en donnant raison au camp opposé !  Cet homme providentiel est un Néo-zélandais travaillant en Angleterre et s’appelant Ernest Rutherford. Aujourd’hui, Rutherford est reconnu comme le père de la physique nucléaire mais à cette époque il n’en était encore qu’au commencement de sa prodigieuse carrière.

     Nous sommes au tout début du XXème siècle et le Français Pierre Curie travaille depuis quelque temps sur le radium ; il se rend compte que, compte tenu de la petite taille des échantillons observés, ce corps dégage une chaleur sans commune mesure avec ce à quoi on aurait pu s’attendre. Rutherford arrive à la même conclusion quelques mois plus tard. Or, on savait que la Terre était très riche en ce type d’éléments ; dès lors, une évidence s’impose : notre planète possède le moyen de conserver sa chaleur et, contrairement à ce que défend Lord Kelvin depuis des années, elle ne se refroidit pas ou, en tout cas, seulement extrêmement lentement. Rutherford est à présent convaincu que la Terre est capable de conserver sa chaleur durant des millions d’années grâce à la radioactivité naturelle et, bien sûr, cela change tout ! Cet extraordinaire dégagement de chaleur, explique Rutherford, a une explication parfaitement logique puisqu’elle est la conséquence de la désintégration naturelle de certains atomes comme le thorium sur lequel il a longtemps travaillé et, bien sûr, le radium. Au début, cette découverte choque chimistes et physiciens pour lesquels, jusqu’à ce jour, il ne pouvait être question de destruction de la matière mais les travaux de Rutherford sont sans appel et, bientôt, tous se rendent à l’évidence (Pierre Curie mettra deux ans). En 1903, âgé seulement de 32 ans, Rutherford entre dans le cercle fermé des découvreurs de génie et reçoit une prestigieuse récompense, la médaille Rumford, décernée par la Royal Society.

     C’est donc tout naturellement que, l’année suivante, il se rend à Londres pour participer à un congrès sur l’âge de la Terre… en présence de Lord Kelvin en personne. Il n’a aucun mal à expliquer pourquoi le vieux physicien s’est trompé : ce dernier a tablé sur une dissipation progressive de la chaleur originelle sans savoir qu’il en existait une importante source au centre de la Terre : les lois de la thermodynamique ne peuvent donc pas s’appliquer telles quelles. Les géologues (et les partisans de la théorie de l’Evolution) avaient donc eu raison sans le savoir !

     Lord Kelvin assista à la démonstration de Rutherford et aux débats qui s’ensuivirent mais jamais il n’accepta l’idée que la Terre pouvait être aussi âgée que le démontrait son jeune confrère car c’était admettre l’ouverture tant recherchée par les évolutionnistes, or, à cela, Lord Kelvin ne pouvait se résoudre tant il détestait l’idée même des travaux de Darwin. Quelques scientifiques continuèrent à soutenir sa position, plus par respect pour leur vieux maître que par conviction véritable, mais à sa mort, en 1907, on oublia définitivement ses calculs sur l’âge de la Terre. Les géologues avaient enfin trouvé l’explication de ces superpositions de strates qui les avaient tant intrigués et les Darwiniens le support scientifique nécessaire à la transformation des espèces dont ils avaient toujours été certains sans pouvoir le prouver.

L’âge de la Terre aujourd’hui

     Les recherches sur l’âge réel de la Terre se sont poursuivies au fil des années. En 2002, des études portant sur des corps radioactifs rares comme l’hafnium et le tungstène ont encore repoussé l’origine de notre globe de quelques dizaines de millions d’années : on pense à présent que la Terre (et d’autres planètes) s’est constituée plus tôt et plus rapidement qu’on le croyait, probablement dans les 30 à 40 millions d’années du début du système solaire ce qui la fait arriver à un âge total de 4,6 milliards d’années, Soleil et planètes s’étant formées au quasi même moment. L’explication la plus probable est celle de l’explosion à cette époque d’une supernova proche dont l’onde de choc serait en quelque sorte venue « fertiliser » le nuage de gaz qui se trouvait à l’emplacement de notre système solaire actuel pour donner naissance, par agrégation progressive, à notre étoile, une naine jaune à longue durée de vie, et à son cortège de planètes. C’était il y a 4,6 milliards d’années et, pourtant, notre planète est toujours chaude comme en témoignent notamment les volcans qui, de temps à autre, viennent réveiller les consciences humaines. C’était il y a suffisamment longtemps pour que la Vie ait pu apparaître sur Terre, se diversifier et donner naissance au monde que nous connaissons aujourd’hui.

Images

1. du nuage protosolaire  au système solaire (sources : lamaisondalzaz.com)

2. Charles Lyell (1797-1875) (sources : cosmology.tistory.com)

3. le Déluge, par Géricault (musée du Louvre) (sources : lettres.ac-rouen.fr)

4. Lord Kelvin (1824-1907) (sources :  www.universitystory.gla.ac.uk)

5. Ernest Rutherford (1871-1937) (sources :   commons.wikimedia.org/wiki)

6. coupe de la Terre (sources :  geothermie.tpe.free.fr)

 (Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Mots-clés : Charles Lyell - catastrophisme - Georges Cuvier - James Hutton - uniformitarisme - tectonique des plaques - Charles Darwin - Lord Kelvin (William Thomson) - lois de la thermodynamique - Thomas Huxley - Ernest Rutherford - désintégration atomique 

(les mots en gris renvoient à des sites d'informations complémentaires)

Articles connexes sur le blog

1. les mécanismes de l'évolution

2. distances et durées des âges géologiques

3. le rythme de l'évolution des espèces

4. la dérive des continents ou tectonique des plaques

5. origine du système solaire

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 Mise à jour : 3 mars 2023

 Stonehenge

     Depuis toujours les hommes se sont demandés de quoi pouvait bien être fait le monde dans lequel ils vivent et, accessoirement, de quoi se composait leur propre corps. A l’échelle macroscopique, nous avons depuis quelques siècles une idée assez précise de cette organisation mais au-delà de ce que l’on peut voir, dans l’infiniment petit, la réponse est moins claire. On évoque alors les atomes mais connait-on vraiment leurs structures et les forces qui les lient ou les font interagir ? De quoi sont-ils faits eux aussi ? Quelle est la limite de l’insécable ? La physique moderne, si elle ne peut évidemment tout expliquer, dispose de quelques pistes… Retour sur le problème.

 
     Intuitivement, certains penseurs anciens (les philosophes grecs présocratiques comme Leucippe ou Démocrite notamment) avaient soupçonné que la matière était composée de parcelles indivisibles. C’est une notion qu’on comprend empiriquement en émiettant, par exemple, une motte de terre, obtenant des parties de plus en plus petites, et si l’on pouvait continuer, des grains finalement indivisibles et permettant la conservation de cette matière, les atomes. De l’ancien concept philosophique de l’antiquité, on est passé à un concept qui demeure théorique (car non visible) mais qui est bien accepté par tous. Peut-on aller plus loin ?

Les particules élémentaires

  
     Avant de chercher à comprendre ce qui lie les particules les plus petites de la matière encore faut-il les décrire. Pour cela, le plus simple est de partir de cet atome que nous venons d’évoquer parce que c’est lui qui caractérise les éléments (le fer, le cuivre, le cobalt, etc.). De quoi est-il fait puisqu’il n’est plus comme le pensaient les philosophes grecs le « dernier grain indivisible ».

 
     En réalité, un atome est composé d’un noyau et d’électrons qui gravitent autour de lui (voir le sujet mécanique quantique). Le noyau atomique est lui-même formé de structures plus petites, les protons et les neutrons. Comme leur appellation l’indique, les neutrons sont neutres tandis que les protons sont chargés positivement et les électrons négativement. C’est cet équilibre et le nombre des constituants qui caractérisent un atome (de fer, de plomb, etc.). Toutefois, si l’électron est bien une particule élémentaire (c'est-à-dire indivisible) comme l’est également le photon qui transporte l’information lumineuse, ce n’est pas le cas des protons et des neutrons qui peuvent être scindés en particules encore plus petites : les quarks.

 
     On sait à présent qu’il existe des quarks de différente nature (six pour être précis et possédant des noms assez exotiques : down, up, strange, charm, bottom ou beauty et top ou truth). On leur donne également, à ces quarks, des noms de couleur (en fait un moyen de les caractériser car cela n’a rien à voir avec les couleurs que nous connaissons). Tout cela est très compliqué et a d’ailleurs valu à Murray Gell-Mann le prix Nobel de physique en 1969 pour les avoir le premier décrits. Ce qu’il faut comprendre, c’est qu’il s’agit là des composants intimes de la matière et qu’ils interagissent les uns avec les autres et… mais à propos, comment pourraient-ils interagir puisqu’ils ne se « touchent » évidemment pas ? Quelles sont les " forces " qui les lient ? D’autres particules élémentaires qui ne serviraient qu’à ça ? C’est tout l’objet du modèle standard actuellement en vigueur en physique fondamentale : nous aurons l’occasion d’y revenir mais, auparavant, il faut justement préciser quelles sont les « forces » présentes dans l’univers.

Les différentes forces de l’univers

   
     On pense que ces forces universelles – qu’on appelle forces fondamentales – étaient de même puissance au moment du Big Bang puis qu’elles ont divergé. Elles sont au nombre de quatre :

 
               • L’interaction électromagnétique qui est responsable de la plupart des phénomènes que nous pouvons observer à notre échelle (lumière, magnétisme, réactions chimiques, électricité, etc.). Elle peut être attractive ou répulsive selon les charges électriques (pensez à deux aimants que l’on rapproche l’un de l’autre) et elle est transportée par les photons.

 
         • L’interaction nucléaire forte : c’est la force qui est responsable de la cohésion des quarks entre eux (et c’est accessoirement la force d’interaction la plus puissante connue). Elle permet ainsi la cohésion des noyaux des atomes, si difficiles à briser, mais ne s’exerce que sur une distance infime, subatomique. Elle est transportée par une particule appelée gluon sur laquelle nous reviendrons plus tard.

 
         • L’interaction nucléaire faible : c’est la force qui est responsable de la radioactivité β. Beaucoup moins puissante que l’interaction forte que l’on vient d’évoquer, elle possède, elle aussi, un rayon d’action très court. Ses transporteurs sont les bosons sur lesquels nous reviendrons aussi.

 
            • Et la gravitation : c’est la force qui lie les objets massifs entre eux et, donc, par exemple, les planètes, les étoiles ou les galaxies.  Nous avons déjà eu l’occasion d’en parler longuement dans un sujet précédent (voir sujet relativité générale).

     Or ce qu’aiment par-dessus tout les scientifiques, ce sont les choses simples. Ils pensent en effet que lorsqu’on a recours à des théories compliquées, faisant appel à un grand nombre de paramètres indispensables, c’est qu’on ne sait pas vraiment résoudre le problème. Toute la démarche des physiciens au cours de ces dernières décennies aura donc consisté à décrire, expliquer et essayer d’unifier ces différentes forces afin d’obtenir un modèle simple et cohérent. Pour cela, ils disposent de deux grands outils : la physique macroscopique de la relativité générale et la physique quantique.

Les deux physiques

     La relativité générale, on l’a déjà dit, s’occupe de l’espace-temps macroscopique et donc explique ce que sont les caractéristiques de la force qui s’exerce à cette échelle, la gravitation. Pour résumer brièvement, disons que la relativité générale explique la gravitation comme une fusion de l’espace et du temps. Pour mieux faire comprendre cette fusion, on prend souvent l’exemple d’un tapis mousse sur lequel un objet lourd imprime une empreinte d’autant plus grande que l’objet est pesant. Un objet plus petit situé à proximité de lui ne peut alors que suivre la courbure de la cuvette ainsi formée (on parle de géodésique). La lumière elle-même (ou plutôt les photons qui la transportent) suit la courbure ainsi créée.

       La physique quantique, elle, et nous en avons déjà parlé (voir sujet mécanique quantique), s’intéresse à l’univers subatomique et donc aux trois forces restantes déjà citées, électromagnétisme et interactions forte et faible. Elle se propose de décrire les particules élémentaires intervenant à cette échelle et ce qui les fait interagir. Elle divise ces particules en deux groupes : les fermions et les bosons. Les fermions sont les particules élémentaires que nous avons déjà évoquées et qui constituent la matière proprement dite, par exemple les quarks ou les électrons. La mécanique quantique introduit un deuxième groupe de particules qui, cette fois, sont des particules de liaison entre les fermions et elle les appelle des bosons. A chaque particule élémentaire du groupe fermions doit donc correspondre une particule de liaison spécifique du groupe bosons. Les scientifiques n’ont évidemment pas encore tout découvert : la preuve en est qu’il existe des fermions auxquels ne correspondent aucun boson et des bosons qui n’ont pas de correspondants chez les fermions. Compliqué ? Pas tant qu’il y paraît.

 
     Prenons un exemple, celui d’un quark isolé. Une telle particule élémentaire isolée n’a pas de masse et n’interagit avec rien. Dans l’univers, il existerait un bain constant de bosons et dès qu’une particule pénètre un champ de bosons, ces derniers s’agglutineraient autour d’elle en lui conférant dès lors une masse et la possibilité d’interagir avec d’autres fermions : ces bosons intervenants sont appelés « bosons de Higgs », du nom du scientifique qui le premier postula leur existence (il existe d’autres bosons pour des fermions spécifiques mais le boson universel est le boson de Higgs). Pour le mettre en évidence on a construit des outils spécifiques qui sont ici des accélérateurs de particules. L’idée est « d’accélérer » les particules à une vitesse incroyable avec l’espoir de faire éclater les liaisons fermions-bosons, libérant ainsi ce fameux boson de Higgs : c’est cela l’intérêt considérable du LHC (du CERN à Genève), fleuron de la recherche fondamentale européenne. Et cela a marché ! En juillet 2012, ce fameux boson de Higgs a pu être mis en évidence au CERN (avec 99,9% de certitude), mettant par là-même un terme à une recherche de près de cinquante ans... On trouvera un article spécialement consacré à cette remarquable découverte dans ce blog (voir le sujet : le boson de Higgs).

 
     En faisant correspondre équations et observations, les physiciens ont donc pu construire une théorie générale pour unifier tout cela : le modèle standard.

Le modèle standard

     C’est la première approche – actuelle - d’une théorie permettant d’unifier toutes les forces présentes dans l’univers que ce soit à l’échelle macroscopique (relativité générale) ou microscopique (physique quantique). Dans ce modèle, un certain nombre de forces ont été unifiées :

 
              • magnétisme et électricité donnent l’électromagnétisme ; ici, pas de problème : les fermions sont agglutinés par les photons qui n’ont pas de masse ;

 
       • l’interaction faible et électromagnétisme donnent l’électrofaible ; cette force électrofaible concerne les bosons W et Z qui ont une masse (cela est expérimentalement prouvé) : il faut donc leur faire correspondre un boson sans masse, le boson de Higgs qui, en s’agglutinant à eux leur conférerait cette masse.

 
               • l’interaction forte (gérée par des bosons particuliers, les gluons) associée à la force électrofaible donne le modèle standard.

     Alors, tout est parfait ? Eh bien non parce qu’il reste une force que l’on n’arrive pas à unifier avec les autres : la gravitation. On n’a pas encore trouvé dans le domaine quantique les éléments pouvant correspondre à la gravitation pourtant expliquée avec un succès jamais  démenti par la théorie de la relativité générale. Si l’on y arrivait, on obtiendrait ce que certains appellent la théorie du tout mais il y a un problème : le boson responsable de la gravitation manque toujours à l’appel. On l’appelle le graviton mais son existence est toute théorique et il n’a jamais été mis en évidence nulle part. Voilà donc encore beaucoup de travail en perspective… Ajoutons à cela que la plus grande partie de la matière échappe à notre compréhension (voir sujet matière noire et énergie sombre). Il n’empêche, les connaissances scientifiques sur la matière ont quand même bien progressé ces dernières années…

     Nous ne connaissons pas encore toutes les caractéristiques et toutes les formes que prend la matière qui compose notre univers. Toutefois, on peut aujourd’hui penser que tout est matière et que ce qui ne semble pas l’être (?) vient du fait que ses constituants n’ont pas encore été clairement identifiés. De nos pensées intimes aux plus grandes des galaxies, tout est supporté par des particules, en quantité et en formes évidemment variables, mais relevant toutes de la matière. Je me doute que cette affirmation peut en effrayer certains mais qu’ils se rassurent car, au bout du compte, ce qui importe véritablement, ce n’est pas la nature des choses mais l’usage qu’on en fait.

Images

 
     1. Stonehenge (sources : www.marxer.org)

      2. quark (sources : www.pentek.com)

    3. galaxies émergentes grâce aux forces de la gravitation (sources : pagesperso-orange.fr/ainvo)

     4. le LHC du CERN à Genève (sources : blog.nanovic.com.au)

     5. simulation de la désintégration d'un boson de Higgs dans un accélérateur de particules (sources : www.in2p3.fr)