Les préons, constituants des quarks ?

- Les préons, constituants des quarks ?
Don Lincoln, Pour la Science, p19-25

Ce mois-ci est riche en nouvelles perspectives en physique, notamment ce nouvel univers des constituants supposés des quarks et leptons, appelés préons.

- Dans les 12 particules élémentaires connues, certaines propriétés se répètent. Ce schéma suggère l'existence possible d'une structure interne de ces objets.

- Ces particules pourraient être composées d'entités plus petites, que les physiciens désignent sous le terme générique de « préons ».

- Aucune donnée expérimentale ne confirme aujourd'hui cette hypothèse. Mais la question pourrait être tranchée par le collisionneur lhc du CERN et par d'autres expériences.

Le modèle standard considère les quarks et les leptons comme ponctuels et indivisibles. Pourtant, de nombreux indices suggèrent que ces particules pourraient en fait être composées d'éléments encore plus petits. Cela permettrait d'expliquer que certaines particules ont des propriétés communes.

Le tableau des quarks et des leptons comporte trois colonnes nommées générations (la question de la multiplicité des particules est souvent nommée « problème des générations »). La première, tout à gauche, inclut les quarks u et d ainsi que l'électron et le neutrino électronique, c'est-à-dire tout ce qui est nécessaire pour expliquer l'Univers qui nous est familier. La deuxième génération contient les versions un peu plus massives des mêmes particules ; la troisième génération comprend les particules les plus lourdes.

Le modèle standard traite les quarks et les leptons comme des particules ponctuelles, dépourvues de structure interne. Mais la répétition des propriétés d'une génération à l'autre, comme pour les éléments chimiques, laisse penser que les quarks et les leptons ont une structure sous-jacente.

Forts de ces observations, les physiciens théoriciens ont proposé de nombreux modèles de sous-structures pour les quarks et les leptons. Le terme générique de « préon » s'est imposé pour désigner leurs constituants.

Pour illustrer ces modèles, prenons une version simple proposée en 1979 indépendamment par l'Israélien Haïm Harari et l'Américain Michael Shupe, et ultérieurement étendue par H. Harari et son étudiant Nathan Seiberg, tous deux à l'Institut Weizmann en Israël. Ils ont proposé l'existence de deux sortes de préons, l'un de charge électrique +1/3, l'autre de charge nulle. Chacun de ces préons a un homologue, une antiparticule, de charge opposée : –1/3 et 0, respectivement. Ces préons sont des fermions, des particules de matière. Chaque quark ou lepton est une combinaison de trois préons. Deux préons de charge +1/3 et un de charge nulle, par exemple, constituent un quark u, alors que l'antiquark u– est formé de deux préons de charge –1/3 et d'un de charge nulle. Les bosons vecteurs de force, quant à eux, sont des combinaisons de deux ou six préons. Le boson W+, porteur de l'interaction faible qui agit à la fois sur les quarks et les leptons, a trois préons de charge +1/3 et trois de charge 0.

La situation se complique quand nous portons notre attention sur les deuxième et troisième générations. Dans ce modèle, on fait l'hypothèse que les générations deux et trois sont des états excités des configurations de la première génération, de même que les atomes excités sont des atomes où des électrons ont sauté d'un état à un autre, d'énergie supérieure. En outre, on pense qu'un mécanisme inconnu assure la cohésion des préons au sein des quarks et des autres particules.

Si les préons qui constituent les particules des deuxième et troisième générations sont les mêmes que pour la première, il y a certainement quelque chose chez les préons qui permet aux particules d'interagir plus ou moins avec le champ de Higgs. Cela expliquerait pourquoi les particules des générations deux et trois sont plus lourdes.

En outre, les préons et les supercordes peuvent coexister, les dimensions des supercordes se situant à une échelle beaucoup plus petite que celle des quarks et des leptons.

Une autre alternative, s'inspirant des préons, est celle qu'a proposée en 2005 Sundance Bilson-Thompson, de l'Université d'Adélaïde en Australie. Dans son modèle, les préons seraient des tresses torsadées d'espace-temps, des objets constitués du tissu de l'espace-temps, et non des particules ponctuelles.

Il y a bien d'autres choses dans l'article, notamment le fait que plus l'échelle est petite, plus l'énergie est grande, ce qui impliquerait que la masse d'une particule soit inférieure à la somme de ses composants, etc.

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