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« le plus incompréhensible, c’est que l’univers soit compréhensible »
Albert Einstein
« … nous sommes des atomes jetés dans le gouffre sans fond de l’infini »
Georges Colomb, La Famille Fenouillard
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Pour conduire une voiture, il n'est pas nécessaire de connaître le principe de Carnot; pour opérer une station radio-amateur, il n'est pas non plus nécessaire de connaître la physique des particules élémentaires.
Pourtant, les radio-amateurs font appel à cette science, quand ils font courir les électrons tout au long des conducteurs dans leurs stations et quand ils expulsent ou recueillent les photons à travers leurs antennes.
Alors, pourquoi ne pas avoir une idée des autres particules élémentaires et de la façon dont ces « briques de l'univers » sont assemblées? Cet article présente les parti- cules considérées comme fondamentales aujourd'hui et leurs interactions, à l'occasion d'un voyage au pays de l'infiniment petit qu'effectue une fillette, Cécile.
Cette dernière, comme son arrière-grand-mère à qui Lewis Carroll avait fait faire un autre voyage cent ans plus tôt, a une vision plus ludique que scientifique de l'univers. C'est pourquoi, pour ceux que l'onirisme n'inspire pas, l'article est complété par diverses illustrations et un glossaire récapitulant quelques données relatives aux particules élémentaires.

L'après-midi était chaud et Cécile s'était allongée sous le pommier du jardin pour réviser sa dernière leçon de physique. Que cette leçon était ennuyeuse! Il y était question d'électrons tournant autour de protons, du principe d'incertitude d'un certain Heisenberg, d'un univers de particules où plus rien ne paraissait fonctionner honnêtement, puisqu'en particulier le temps et la masse sy dilataient. Cécile avait bien essayé de se faire aider par son père ou son grand-père, tous deux radioamateurs, mais sa quête avait été vaine: son père lui avait déclaré n'avoir d'intérêt en matière de particule que pour les électrons, et son grand-père croire, comme Essen et Rutherford, que la théorie de la relativité relevait de l'escroquerie ou de la plaisanterie. Cécile posa ses livres et ferma les yeux...

Cécile rencontre le neutrino

-Bonjour Cécile, sois la bienvenue! dit une voix inconnue.
- Bonjour, répondit Cécile, tu sembles bien me connaître, mais qui es-tu et où suis-je?
- Appelle-moi neutrino, tu es au pays des particules où je suis chargé de t'accueillir, répondit la voix.
-J'ignore comment je suis arrivée là, dit Cécile, mais cela m'intéresse car j'ai justement une leçon de physique sur l'atome à réviser et je m'y perds. Vous êtes si nombreuses, vous autres particules! Mais au juste, neutrino, cela doit vouloir dire petit neutron en italien; tu es donc un neutron!
- pas du tout! Les neutrons, tu verras, ils sont gros et lourds alors que moi je suis si léger qu'on se demande encore si j'ai une masse ou non. Et puis les neutrons ne méritent plus le nom de particules élé- mentaires puisqu'ils sont eux-mêmes des assemblages de particules plus petites, les quarks. Je dois mon joli nom à Enrico Fermi et à ma neutralité, mais je suis si discret dans l'univers que je ne mérite pas qu'on parle trop de moi. Allons plutôt voir mes amis qui habitent le nuage.

Cécile pénètre dans le nuage et rencontre l'électron

- Le nuage, quel nuage? - As-tu donc tout oublié, Cécile, et en particulier que les atomes sont formés d'un noyau renfermant plus de 99,9 % de leur masse, et qu'autour tournent des électrons qui sont parfois si nombreux qu:ils font penser à un nuage? Voici justement un électron. Bonjour électron, je te présente Cécile.
- Bonjour Cécile, bonjour neutrino, soyez les bienvenus dans le nuage, dit l'électron.
-Bonjour électron, répondit Cécile, toi au moins tu ne m'es pas inconnu. Figure-toi que j'ai quelques radioamateurs dans ma famille ;je me rends compte de tout ce que tu dois endurer à cause d'eux.
- Ce n'est rien, tout au plus me font-ils sauter d'un atome à l'autre ou me faufi1er entre des ions dans les fils de leurs stations. Cela me change de ce travail de Sisyphe qui consiste à tourner et à tourner encore autour du noyau de l'atome.
- En fait tu tournes comme les planètes tournent autour du soleil; peut-être es- tu toi-même une petite terre avec des habitants, eux-mêmes formés d'atomes et ainsi de suite; tu me donnes le ver- tige, électron, dit Cécile.
- Et pourquoi, pendant que tu y es, le système solaire ne serait-il pas lui-même un atome de quelque chose de plus grand? Répondit en riant l'électron. Non, Cécile, cette vision de l'univers est celle qu'on pouvait avoir au début du siècle. Depuis cette époque, il a coulé beaucoup d'eau sous les ponts et il s'est passé beaucoup de choses dans les accélérateurs et les chambres à bulles. L'atome qu'on voit aujourd'hui ressemble à celui de 1900 autant qu'un Boeing 747 ressemble à l'Avion de Clément Ader.
- L'Avion et le Boeing ont tous les deux des ailes et un moteur; je suppose que l'atome de 1900 et celui de 1990 ont tous deux des électrons et un noyau, dit Cécile, véxée.
- Ne te fâche pas; beaucoup de gens nous considèrent encore comme des « planètes » tournant autour d'un « soleil» appelé noyau. En fait, il a fallu des décennies pour qu'on s'aperçoive que nous méritions plus que ce rôle de modèle réduit.
- Tu peux me retracer ces décennies en quelques mots ?
- Cela m'est facile, d'autant plus que, comme tu le sais, depuis Einstein et la relativité, le temps ne s'écoule plus à la même vitesse pour tous et il me suffit d'aller très vi te pour que ce que je vis en une seconde, tu le vives, toi, en dix ans!
. Tu es en train de me raconter la Planète des Singes!
- Mais c'est vrai quand même! Le modèle planétaire de l'atome du début du siècle fut remplacé en 1913 par le mo- dèle dit « atome de Bohr-Sommerfeld », dans lequel les électrons suivent des orbites bien précises, dites stationnaires, et ne peuvent passer d'une trajectoire à l'autre que de façon discontinue (c'est ce qu'on appelle la mécanique quantique), Plus tard, en 1925, un autre modèle apparut avec la mécanique ondulatoire, celui de Schroedinger-Heisenberg-de Broglie; nous autres électrons devînmes alors mi-chèvres mi- choux, à la fois corpuscules et ondes, impossibles à localiser de façon précise autrement qu'en termes de probabilité. Plus tard, Dirac en 1931 puis Feynman en 1948 affinèrent encore notre image d'êtres plus mathématiques que maté- riels en mettant en évidence en particulier notre ennemi mortel, le positron ou électron positif : en rencontrons-nous un qu'aussitôt nous nous annihilons simultanément dans un grand éclair, qui est en fait un photon!
- Merci, répondit Cécile, que cette longue tirade de l'électron avait quelque peu lassée, mais tu me parles de photon; peux-tu m'en présenter un ?
- Rien de plus facile, il me suffit de sauter d'une trajectoire sur une autre, et hop, j'émets un photon. Au revoir, Cécile, lorsque je capturerai un photon de passage, je reviendrai sur mon orbi te initiale.

Cécile rencontre le photon

- Bonjour Cécile, dit le photon
- Bonjour photon, dit Cécile; figure-toi que j'ai quelques radioamateurs dans ma famille et que...
- Arrête, arrête, cria le photon, les radio- amateurs sont ma hantise ; ils n'ont de cesse que de m'expulser par milliards de leurs antennes d'émission ou de me traquer pour me faire dévorer par les électrons affamés de leurs antennes de réception.
- Excuse-moi, dit Cécile, je n'en parlerai plus, mais comme je sens que tu vas me dire que tu es, toi aussi, à la fois onde et corpuscule, en quoi te distingues-tu de l'électron?
- En raccourci, on pourrait dire que l'électron est la matière et que moi, je suis la lumière, mais cela fait un peu prétentieux, n'est-ce-pas? En fait, l'électron a une masse et une charge électrique, qui lui suscitent bien des servitudes ;il ne peut aller ni très vite (sa masse croit avec sa vitesse au point de devenir infinie s'il essaie d'aller aussi vite que moi) ni très loin (dès qu'il approche un noyau d'atome friand d'électrons, et il en traine partout, il se met en orbite autour de œ noyau du fait des charges opposées en regard).
- Toi au contraire, dit Cécile, toi qui n'as ni masse ni charge, tu vas loin et vite ; seuls les électrons affamés comme ceux des antennes de réception peuvent arrêter ta course.
- Tu me flattes, Cécile; en fait, masse et énergie ne sont que deux aspects de la même chose comme nous l'a enseigné Einstein, et il m'arrive de devoir incurver ma trajectoire quand je frôle quel- que grosse étoile, ou même de disparai- tre dans ces pièges de l'espace-temps que sont les trous noirs, mais c'est une autre histoire. Disons qu'Aristote déjà analysait l'univers en termes de ma- tière (la terre, l'air ,le feu et l'eau) et de force (la légèreté qui fait que l'air et le feu s'élèvent, la gravité qui fait que la terre et l'eau s'écoulent). Aujourd'hui encore on considère l'univers comme un ensemble de matière et de forces: l'élec- tron appartient à la famille des « parti- cules de matière " alors que moi, pho- ton, j'appartiens à la famille des «parti- cules supports de force .?
- Je vois, dit Cécile, tu es en quelque sorte celui qui assure la relation entre particules chargées comme électrons et autres; tu es la Force, comme dans la Guerre des Etoiles !
- J'ai l'impression, Cécile, que tu as une mémoire meilleure pour le cinéma de fiction que pour tes cours de physique, dit le photon; avec moins de poésie, je dirais que je suis responsable d'une des quatre interactions fondamentales, l'interaction électromagnétique; de la même façon que les trois bosons que tu vois là bas, dans le noyau, sont, eux, responsables de J'interaction faible. Cours vite les voir avant qu'ils ne disparaissent car leur vie est très éphémère.

Cécile pénètre dans le noyau de l'atome et rencontre les bosons

- Bonjour les bosons, dit Cécile tout essoufflée par la course qu'elle venait de faire, rassurez-vous, je ne vous parlerai pas des radioamateurs de ma famille.
- Tu peux nous en parler si tu veux, répondit le premier boson, car nous n'avons pas de relation avec eux, comme en ont les photons ; nous, la plupart du temps dans les noyaux des atomes et vivons si peu de temps.
- Tout est relatif, dit le deuxième boson, car le millionième de seconde pour nous peut représenter une heure pour toi.
- Excuse mes deux collègues, Cécile, dit le troisième boson, ils ont oublié de faire les présentations. Ils s’appellent W - moins et W -plus; quant à moi, je suis Z-Zéro. - Quels noms! Pourquoi pas D2R2, s'esclaffa Cécile, de plus en plus persuadée de se trouver dans un remake du film l'Empire contre-attaque.
. Allons Cécile, rétorqua, choqué, Z- zéro, tu t'adresses aux particules sup- ports de force responsables de l'interaction faible, c'est-à-dire en fait de la radioactivité. Il ne faut pas confondre Steven Spielberg et Steven Weinberg! - J'ai vu tous les films du premier, mais aucun du second, dit Cécile, ravie à l'idée de parler de cinéma.
- Quelle confusion, dit W-moins. Weinberg n'a rien à voir avec le septième art ; c'est le savant qui, avec Salam, prédit notre existence dès 1967, alors que nous ne fûmes découverts qu'en 1983. Ce prix Nobel 1979 avait compris qu'en fait, bosons et photons étaient la même particule aux hautes énergies, unifiant ainsi l'interaction électromagnétique et l'interaction faible (ce qu'on appelle aujourd'hui l'interaction électrofaible).
- D'accord, dit Cécile, mais avouez que parler d'interaction faible quand on évoque la bombe atomique, c'est un euphémisme.
- Si tu veux, répondit W-plus, en pous- sant Cécile vers un proton du noyau où ils se trouvaient, va donc voir à l'intérieur de ce proton ce qui s'y passe, et tu comprendras qu'il existe des interactions autres que faible ou électromagnétique.

Cécile rencontre les quarks et les gluons

- Ils sont vraiment expéditifs ces bosons, pensa Cécile en pénétrant dans le proton, mais quelle est donc cette mêlée faite de particules si fortement collées entre elles? On se croirait au tournoi des cinq nations!
- Salut Cécile, bienvenue sur le terrain des quarks et des gluons, dit une des particules en se serrant encore plus fort contre ses voisines.
- Bonjour, dit Cécile, amusée par cette ambiance sportive, quand je dirai à mon grand-père, qui est radio-amateur (je pense pouvoir vous l'avouer car vous me paraissez vous moquer de ses antennes) que j'ai trouvé du monde à l'intérieur d'un proton, il ne me croira pas ; pour lui, le proton, dont le nom exprime, en grec, la primauté, c'est une particule élémentaire, une brique de base de la matière.
- Ne te moque pas de ton grand-père, Cécile. Le mot atome lui-même signifiait indivisible, puis on a trouvé plus fin et pensé qu'on expliquerait tout avec noyaux et électrons; puis on a trouvé neutrons et protons dans ce noyau et on s'est dit qu'on était au bout; aujourd'hui qu'on décompose les protons et les neutrons en particules de matière Oes quarks) collées entre elles par des particules supports de force des gluons) même des cosmologistes éminents, comme Stephen Hawking, pensent qu'on touche peut-être le fond, mais qui sait?
- Vous avez raison, dit Cécile, mais tout cela est un peu nouveau pour moi; l'interaction forte, c'est donc cette force qui fait que vous autres quarks vous vous agglutinez en protons ou neutrons, puis que ces prot6fis et neutrons s'agglutinent eux-mêmes pour former le noyau? Et comme les photons sont responsables de l'interaction électromagnétique et les bosons de l'interaction faible, ce sont les gluons qui sont responsables de l'interaction forte.
- Bravo Cécile, tu as tout compris, s'ex- clamèrent en coeur les trois quarks du proton et les gluons qui les réunissaient.
- Merci, doit Cécile, mais ne pourriez- vous pas arrêter de chahuter un peu et vous séparer que je vous voie mieux?
- Impossible, dirent gluons et quarks, c'est contraire à nos principes; comme tu le vois, chacun de nous a sa couleur (bleu, vert, rouge) et nous nous mettons par trois de couleur différente pour obtenir du blanc; cela donne un neutron ou un proton; joueurs comme nous sommes, il nous arrive aussi de nous grouper à deux, quark et anti-quark ; nous formons alors un méson, mais cela ne dure pas, car particule et anti-parti- cule s'annihilent très vite.
- Jamais je ne vous verrai séparés, demanda Cécile, impressionnée par tant de solidarité.
- Never say never, Cécile, la Grand Unified Theory prévoit qu'à de très hautes énergies les trois interactions seront équivalentes: il n'y aura plus alors qu'une seule sorte de particule de matière (quark et électron seront iden- tiques) et qu'une seule sorte de parti- cule support de force (photon, boson et gluon seront identiques) ; le jour où les hommes sauront atteindre ces niveaux d'énergie, tu pourra nous voir séparés. - Mais, dit Cécile, 1es gluons représentent l'interaction la plus forte qui soit puisque seule une bombe à hydrogène peut arriver à coller ensemble deux noyaux d'atomes qui ne le veulent pas; et encore, sans arriver à séparer les quarks, peut-être? Pour des êtres aussi puissants, je vous trouve bien modestes, Messieurs les gluons.
- Nous sommes modestes, répondirent les gluons, parce qu'il existe une parti- cule support de force que tu n'as pas encore vue, que personne n'a encore vue, tant son action est faible, mais qui est beaucoup plus puissante que nous, pauvres gluons.
- Vous m'intriguez, dit Cécile, comment une particule si faible que personne ne l'a encore mise en évidence peut-elle être plus puissante que vous? Quelle est donc cette particule étrange?

Cécile rencontre (presque) le graviton

- il s'agit du graviton, dirent en tremblant les gluons; cette particule est responsable de la gravité (ou de la pesanteur sur la terre, si tu préfères) ; sa puissance provient du fait qu'elle im- pose sa loi à toutes les particules, contrairement aux autres supports de force, plus sélectifs; de plus, elle porte très loin, jusqu'aux confins de l'univers et toutes ses actions sont attractives dans le même sens, conduisant à faire s'effondrer des étoiles sur elles-mêmes en trous noirs d'où plus rien ne sort, pas même la lumière. Cette particule règle la vie de l'univers du Big Bang initial au Big Crunch final (s'il yen a un un jour).
- Je veux voir un graviton,je veux voir un graviton, trépigna Cécile, à l'idée de découvrir ce que personne avant elle n'avait vu.
- Attention Cécile. en voilà un qui va te tomber dessus. crièrent en cœur les gluons.
...La pomme qui venait de tomber sur la tête de Cécile n'était heureusement pas bien grosse mais elle suffit à réveiller l'enfant. La fillette ramassa ses livres épars et comprit alors d'où pouvait venir la mauvaise humeur légendaire d'Isaac Newton puisqu'on dit qu'il avait eu, trois siècles plus tôt, la révélation des lois de l'attraction universelle dans des circonstances comparables.

Bibliographie
1 - Physique de. particules, l'infiniment petit et la déoouverle des bosons W et Z, Jean-Marc Richard, Encyclopaedia Universalis, mise à jour 1985.
2 - Relativity, joke or swindle ? Louis Essen, Electronic & wireless world, february 1988.
3 - A brief history of time, Thomas Hawking, BantamBookNew York,1988.
4 - Marie, Chang et les photons (conte), FE6FQX, Radio-REF, novembre 1989.

GLOSSAIRE
ATOME: élément de base de la matière dans notre environnement immédiat, fait d'un noyau minuscule (lui-même fait de protons et de neutrons) entouré d'électrons.
BIG BANG: selon la théorie du même nom, explosion initiale de "univers alors concentré en un point, il y a 15 milliards d'années environ.
BIG CRUNCH : selon une hypothèse plus controversée que celle du Big Bang, implosion finale de "univers, lorsqu'il
se sera re-concentré en un point.
BOSON: particule élémentaire support de force responsable de l'interaction faible.
ELECTRON: particule élémentaire de matière à charge électrique négative, qui tourne autour du noyau.
GLUON: particule élémentaire support de force responsable de l'interaction forte.
GRAVITON: particule élémentaire support de force responsable de la gravité,
INTERACTION ELECTROMAGNETIQUE : une des quatre forces fondamentales, à portée relativement grande. Elle relie entre elles les particules chargées électriquement (électrons, positrons, etc.).
INTERACTION FAIBLE: une des quatre forces fondamentales, de très courte portée, affectant toutes les particules de matière mais pas les particules supports de force.
INTERACTION FORTE: une des quatre forces fondamentales, avec la plus courte portée. Elle lie les quarks à l'intérieur des protons et des neutrons et retient ensemble les protons et les neutrons pour former les noyaux.
INTERACTION GRAVITATIONNELLE OU GRAVITE: une des quatre forces fondamentales, de très longue portée, affectant toutes les particules et toujours attractive.
MECANIQUE QUANTIQUE: théorie selon laquelle les ondes ne peuvent être émises ou absorbées que par multiples
de quantités unitaires, appelées quanta, et les particules ne peuvent être connues simultanément en vitesse et emplacement.
NEUTRINO: particule élémentaire de matière, très légère ou sans masse, sensible uniquement à l'interaction faible et à la gravité.
NEUTRON : particule sans charge, très semblable au proton, constituant environ la moitié des particules du noyau de la majorité des atomes.
NOYAU: partie centrale de l'atome rassemblant uniquement des protons et des neutrons retenus ensemble par l'interaction forte.
PARTICULE ELEMENTAIRE: particule dont on pense aujourd'hui qu'elle ne peut se subdiviser en particules plus élémentaires encore.
PHOTON: particule élémentaire support de force responsable de l'interaction électromagnétique.
POSITRON (OU POSITON) : anti-particule de !'électron (donc faite d'antimatière).
PROTON: particule à charge positive, constituant environ la moitié des particules du noyau de la majorité des atomes.
QUARK: particule élémentaire sensible à l'interaction forte. Proton et neutron sont constitués chacun de trois quarks,
RELATIVITE : théorie qui considère le temps comme une quatrième dimension non indépendante des autres, rend équivalentes masse et énergie, fait s'écouler le temps Inégalement suivant les acteurs, et fait que la vitesse de la lumière ne dépend pas du repère. Cette théorie n'est plus contestable aujourd'hui, malgré quelques  opposants.
TROU NOIR: zone de l'espace-temps d'où rien ne peut s'échapper, pas même la lumière, tant la gravité y est forte. Un trou noir peut résulter de l'effondrement d'une étoile sous l'effet de la gravité. On parle aussi de trou blanc, mais c'est plus contestable.