Les quarks sont-ils composés de préons ?

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Le modèle standard laisse de nombreuses questions sans réponses. Pourquoi existe-t-il quatre interactions, ni plus, ni moins ? Et pourquoi y-a-t-il deux sortes de particules fondamentales de matière, les quarks et les leptons plutôt qu'une seule ? L'abondance des particules du modèle standard a conduit les physiciens à se poser la question suivante. Etant donné que le quark u, le quark d et l'électron sont les seules particules de matière nécessaire pour construire l'univers, pourquoi ont-ils autant de cousins ? "Qui a commandé cela ? " s'interroge Isidore Rabi, prix Nobel de physique lorsqu'il découvre le muon en 1936-1937. La question de la multiplicité des particules est souvent nommée problème des générations. 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. L'interaction faible, qui se manifeste lors de la radioactivité, permet la transmutation d'un quark u en un quark d, ou inversement. Le proton se transforme alors en neutron ou réciproquement.  Cette transformation peut transmuter également un électron. La métamorphose des quarks et des leptons pourrait être un signe supplémentaire de l'existence de détails plus fins au sein de ces particules. Le terme générique de préons s'est imposé pour désigner les constituants de ces structures. Chaque quark ou lepton, ainsi que chaque boson est une combinaison d'un certain nombre de préons (deux, trois, cinq et six selon les modèles). Les modèles de préons arrivent à décrire les processus subatomiques de façon satisfaisante pour les particules de première génération.

Les préons pourraient révéler de précieuses informations sur l'origine de la masse des particules. Dans le modèle standard, cette masse est engendrée par l'interaction des particules avec le champ de Higgs. Les particules qui subissent une sorte de traînée lorsqu'elle traverse ce champ omniprésent sont dôtées d'une masse. Les particules de masse nulle glisse quant à elles sans encombre. Le mécanisme de Higgs permet d'expliquer comment les particules acquièrent une masse, mais il ne précise pas la valeur de ces masses. Les préons devraient interagir avec le champ de Higgs pour expliquer les masses plus lourdes des générations deux et trois. La masse du proton est de seulement 1 Gigaélectronvolt, soit mille fois moins que la somme des masses des quarks qui le composent. Ceux-ci ont une masse entre quelques mégaélectronvolts et 173 Giga électronvolts. Cette entité est plus légère que ses composants. Si les supercordes existent, elles pourraient bien constituer les préons, ou même les pré-préons voire les pré-pré-préons., selon le nombre de niveaus d'emboîtement que récèle la matière.

Le modèle standard décrit des particules de taille nulle, parfaitement en accord avec les mesures (0.0002 fois la taille du proton pour les quarks et 0.01 fois cette taille pour les leptons). Comme tous les fermions fondamentaux, l'electron a un spin égale à 1/2. Et comme cette particule a aussi une charge électrique, la combinaison du spin et de la charge lui confère un moment magnétique. Ce qui revient à dire que l'électron constitue un minuscule aimant. Le moment magnétique dépend de la nature ponctuelle ou non de la particule. En comparant la valeur théorique du moment magnétique d'un électron ou d'un muon à la valeur expérimentale on pourrait obtenir un indice sur la présence des préons.

Le modèle standard explique pourquoi le moment magnétique de l'électron, comme celui du muon, diffèrent légèrement de celui d'une particule ponctuelle. Cela est dû au nuage de particules virtuelles présent autour des leptons, changeant la valeur du moment magnétique dans un rapport de un pour mille. Les effets des préons seraient encore plus faibles mais ils pourraient être détectables.

La désintégration d'un muon en un électron et un photon n'a pas encore été observée. Si elle a lieu, elle se produit moins d'une fois sur cent milliards de désintégrations de muons. La montée en puissance du LHC (13-14 téraélectronvolts en 2015 au lieu de 8 en 2012) devrait permettre d'augmenter ses capacités de façon époustouflante. La désintégration du muon sans émission des deux neutrinos n'est pas possible dans le modèle standard. L'observer serait à l'origine d'une nouvelle physique. C'est l'objet du projet Mu2e qui doit débuter en 2019 et durer trois ans.

Résumé d'un article écrit par Don Lincoln dans Pour la Science de juin 2013