Vous ne savez pas ce que c’est, vous qui le tenez entre vos mains. Des atomes ? Oui, les choses sont faites d’atomes. Et chaque atome est un noyau orbité par des électrons. Chaque noyau est construit de protons. Chaque proton est – mais là, vous atteignez la fin de la ligne. À l’intérieur du proton se trouve la vérité profonde et troublante: Les choses sont faites de rien, ou presque, maintenues ensemble par de la colle, beaucoup de colle. Les physiciens ont commencé à le soupçonner en 1973. Dernièrement, cela a été prouvé par expérience.

Photo du CERN

Frank Wilczek était un étudiant diplômé de 21 ans à l’Université de Princeton lorsqu’il a aidé à développer cette théorie du proton en 1973. Il ne le comprenait pas vraiment lui-même au début; il suivait simplement où les mathématiques le menaient. « Nous avons fait les calculs, mais nous n’avions pas une compréhension intuitive simple », explique Wilczek. « L’image physique est venue plus tard. »Cette image a pris un certain temps, même pour que les physiciens l’absorbent, car ce n’est vraiment pas simple. Même aujourd’hui, si vous demandez à un physicien de décrire un proton, vous obtiendrez d’abord une version caricaturale — celle qui dit qu’un proton est simplement composé de trois particules plus petites appelées quarks. Cette description n’est pas exactement fausse — c’est juste une basse résolution. C’est vrai la façon dont une image de Times Square à 30 000 pieds est vraie. La réalité en gros plan, celle que Wilczek et ses collègues ont vue il y a longtemps, est beaucoup plus folle et étrange.

Un proton est composé de trois quarks, oui, mais les quarks sont infinitésimaux — seulement 2 pour cent environ de la masse totale du proton. Ils tournent à une vitesse proche de la lumière à l’intérieur du proton, mais ils sont emprisonnés dans des nuages scintillants d’autres particules — d’autres quarks, qui se matérialisent brièvement puis disparaissent et, surtout, des gluons, qui transmettent la force qui lie les quarks ensemble. Les gluons sont sans masse et évanescents, mais ils transportent la majeure partie de l’énergie du proton. C’est pourquoi il est plus précis de dire que les protons sont faits de gluons plutôt que de quarks. Les protons sont de petites gouttes de colle — mais même cette image véhicule quelque chose de trop statique et substantiel. Tout est flux et énergie crépitante à l’intérieur d’un proton; c’est comme une tempête de foudre sans fin dans une bouteille, une bouteille de moins de.1 trillionième de pouce de diamètre.  » C’est une structure très riche et dynamique « , explique Wilczek. « Et c’est très agréable que nous ayons une théorie qui puisse la reproduire. »

Surtout si vous êtes l’un des gars qui a inventé la théorie, et si, plus de deux décennies plus tard, cette théorie est en fait vérifiée par expérience. Dans un accélérateur de particules appelé HERA à Hambourg, en Allemagne, les physiciens tirent des électrons dans des protons depuis huit ans, montrant à quel point les quarks sont insubstantiels à l’intérieur. Pendant ce temps, d’autres expériences sur les accélérateurs pourraient bientôt révéler comment l’univers a assemblé tous ses protons en premier lieu. En février, des physiciens du CERN, le Laboratoire Européen de Physique des particules en dehors de Genève, ont annoncé des « preuves convaincantes » qu’ils avaient réussi à faire fondre un grand nombre de protons, créant pour un instant le genre de plasma quark-gluon qui existait pour la dernière fois une microseconde après le Big Bang. Tous les protons autour se sont maintenant congelés de cette soupe. Au laboratoire national de Brookhaven sur Long Island à New York, un nouvel accélérateur plus puissant se prépare pour cuisiner quotidiennement de la soupe au quark-gluon cet été. D’ici l’année prochaine, les physiciens auront peut—être une bien meilleure idée de ce qu’était l’univers quand il faisait un milliard de fois plus chaud que la surface du soleil, et les quarks et les gluons — qui ne sont pas encore piégés à l’intérieur des protons, des noyaux, des atomes, à l’intérieur de nous – pourraient jouer librement dans les champs quantiques.

La chromodynamique quantique, ou QCD, la théorie inventée par Wilczek et ses collègues, est un type de théorie quantique des champs, et la théorie quantique des champs pour les débutants va quelque chose comme ça. Tout d’abord, E = mc2, comme Einstein l’a découvert. Autrement dit, l’énergie peut être convertie en masse et vice versa. Deuxièmement, l’espace vide n’est pas vide: ce que nous appelons un vide bouillonne en fait de toutes sortes de champs d’énergie, et l’énergie se manifeste constamment sous la forme de particules « virtuelles » qui apparaissent et disparaissent à nouveau en moins d’un trillionième de nanoseconde. « Il ne nous serait pas très utile de voir cette structure du vide », explique Wilczek, qui est maintenant professeur à l’Institute for Advanced Study de Princeton, où il vit dans l’ancienne maison d’Einstein. « Cela ne nous aiderait pas à éviter les tigres à dents de sabre ou à élever nos enfants, alors l’évolution nous a appris à l’ignorer. Mais c’est là. »

Troisième (et dernière dans notre amorce de théorie des champs), lorsque deux particules subatomiques exercent une force l’une sur l’autre, elles interagissent via l’un de ces champs d’énergie, qu’elles contribuent elles-mêmes à créer. Plus précisément, ils échangent l’une de ces particules virtuelles — le quantum du champ quantique. Un électron, par exemple, a une charge électrique de -1, et cette charge génère un champ électrique. Si l’électron se déplace, comme il le fait toujours — tournant sur son axe et orbitant autour du noyau atomique — il génère également un champ magnétique; tous les champs magnétiques sont finalement créés par le déplacement de charges électriques. Lorsque deux particules chargées interagissent – par exemple, lorsqu’un électron est dispersé sur un proton à HÉRA – elles échangent un photon virtuel, le quantum du champ électromagnétique. La théorie qui décrit de telles interactions, inventée par Richard Feynman, entre autres, est appelée électrodynamique quantique, ou QED.

Dans QED, chaque électron individuel est entouré d’un nuage de particules virtuelles de courte durée – des photons, mais aussi d’autres électrons appariés à des positrons, leurs jumeaux d’antimatière chargés positivement. Ces paires de particules grouillantes forment un écran qui annule partiellement le champ d’électrons — du moins vu de l’extérieur de l’écran. De l’intérieur de l’écran, en revanche, le champ semble plus fort que prévu, comme une ampoule nue une fois qu’un abat-jour a été retiré. « D’accord, c’est donc du dépistage, et c’est assez facile à comprendre », explique Wilczek. « Ce qui se passe dans le QCD, à l’intérieur du proton, est tout le contraire: c’est un antiscreening. C’était une surprise même pour nous, donc ça ne peut pas être trop simple. Mais nous en sommes venus à le comprendre en termes plus élémentaires au fil des ans. »

Le début des années 1970, lorsque Wilczek a fait son travail de pionnier, a été une période enivrante pour les physiciens des particules. Leur air est quelque peu différent de ce que nous respirons, et QCD était dedans. Quelques années plus tôt, des chercheurs du Stanford Linear Accelerator Center avaient pour la première fois accéléré des électrons vers des énergies suffisamment élevées pour pénétrer les protons. Les électrons ne semblaient pas plonger dans la bouillie; ils semblaient rebondir sur des pépites pointues à l’intérieur des protons. Les quarks, qui avaient été postulés en 1964 comme des entités purement mathématiques, ont commencé à sembler exister réellement à l’intérieur des protons — et la question de savoir comment le tout était réuni est devenue urgente et passionnante. Alors que Wilczek et son conseiller, David Gross, découvraient la réponse à Princeton, un autre étudiant diplômé nommé David Politzer la découvrait indépendamment à Harvard. Gross était le vieil homme du trio à 31 ans. « Nous avons eu la chance d’être jeunes à l’époque », a-t-il écrit plus tard, « lorsque nous avons pu nous promener le long des plages nouvellement ouvertes et ramasser les nombreux beaux coquillages que l’expérience avait révélés. »

Une coquille était plus étrange que les autres. Les expériences de Stanford avaient semblé montrer que la force entre les quarks — connue sous le nom de force forte — s’affaiblissait à mesure que les quarks se rapprochaient. C’était très étrange. Les forces que nous rencontrons quotidiennement, l’électromagnétisme et la gravité, agissent exactement de la manière inverse: elles sont plus fortes à courte distance de leur source et plus faibles à longue distance. C’est la manière intuitive; c’est ainsi que les choses devraient être. Sinon, par exemple, des aimants s’envoleraient de votre réfrigérateur pour s’accrocher au poêle séduisant éloigné — sauf qu’à distance, le réfrigérateur recommencerait à leur paraître beau. Et pourtant, faible car la force forte était sur de très courtes distances, elle était suffisamment forte sur des distances plus longues pour frustrer les physiciens qui avaient fait de gros efforts et n’avaient pas réussi à extraire un quark d’un proton. Personne n’avait réussi à en observer une isolément.

Wilczek et Gross sont allés chercher une théorie quantique des champs qui pourrait expliquer une telle force. En fait, Gross s’attendait à ce qu’ils échouent; il voulait prouver que la théorie des champs était une impasse. Mais un type de formalisme mathématique, appelé théorie de jauge non abélienne, n’avait pas encore été essayé. Wilczek a passé une demi-année à remplir un cahier de calculs sur la façon dont les particules interagiraient à travers un champ quantique non abélien. À la fin, il avait une force qui se renforçait de près, comme une bonne force devrait le faire, comme on s’y attendait — mais contrairement à ce qui avait été mesuré à Stanford. Wilczek a vérifié les longs calculs encore et encore. Ensuite, Gross a repéré un seul signe plus dans l’équation de champ qui aurait dû être un moins. Ce changement de signe a tout changé: QCD est né.

À l’intérieur d’un proton, selon QCD, les quarks sont « asymptotiquement libres », comme le suggèrent les résultats de Stanford, ce qui signifie qu’ils se déplacent presque comme s’il n’y avait aucune force entre eux. Mais la liberté est une illusion: un quark ne peut jamais échapper à ses partenaires. À mesure que la distance entre eux augmente, la force augmente également, et un quark capricieux est inévitablement freiné, comme un saut à l’élastique. C’est pourquoi personne n’a jamais vu ou ne verra jamais un quark solitaire, ce qui, quand on y pense, est profondément étrange. « Le proton a des parties, mais il ne peut pas être démonté », explique Alvaro de Rújula, physicien théoricien au CERN. « Vous pouvez tenir un électron dans votre main. Vous ne pouvez pas tenir un quark ou un gluon dans votre main. »

L’étrangeté vient des gluons. La chromodynamique quantique, la force qui maintient les protons ensemble, est étroitement modélisée sur l’électrodynamique quantique, la force qui maintient les atomes ensemble – mais les gluons changent de criblage en anti-criblage, intuitif en bizarre. En chromodynamique quantique, les quarks portent un nouveau type de charge, appelée couleur — qui n’a rien à voir avec la couleur ordinaire — et ces charges génèrent un champ de couleur (d’où le nom de chromodynamique). Le quantum du champ, et l’émetteur de la force forte, est le gluon. Comme le photon qui transmet la force électromagnétique, un gluon est sans masse. Mais contrairement au photon, un gluon est chargé. Il génère son propre champ de couleur, exerce sa propre force et interagit avec d’autres gluons. Il mène une vie riche.

Le champ de couleur, comme celui électromagnétique, peut être considéré comme ayant deux composants – appelez-les color electric et color magnetic. Une charge de couleur en mouvement rapide — les gluons se déplacent à la vitesse de la lumière – génère un fort champ magnétique de couleur. Les gluons sont donc comme de petits aimants dipolaires. Les gluons qui entourent un quark s’alignent parallèlement à son champ de couleur, comme le feraient les aimants, et donc au lieu de l’affaiblir, comme les particules virtuelles font le champ d’un électron, ils le renforcent. Ils antiscreen le quark, amplifiant son champ. Ici, l’analogie de la lampe ne fonctionne plus — le quark est une ampoule faible qui devient en quelque sorte plus lumineuse en dehors de l’ombre.

C’est ce qui maintient un proton ensemble, et c’est ce qui lui donne une structure interne bizarre. Si un quark parvient à pénétrer dans le nuage de gluons d’un autre, il ne ressent qu’une faible attraction. Mais plus il s’éloigne, plus il ressent l’attrait supplémentaire des gluons-gluons émis par les quarks, des gluons émis par d’autres gluons, des gluons qui se matérialisent en paires quarks-antiquark virtuelles, qui échangent plus de gluons. « Les quarks déclenchent le tout, mais une fois que cela commence, c’est un processus très puissant, car les gluons interagissent », explique Wilczek. « C’est une sorte de processus d’emballement. »

En 1974, De Rújula, Politzer, Wilczek et quelques autres physiciens proposèrent cette gluonisation du proton et suggérèrent comment il pourrait un jour être mesuré. Deux décennies plus tard, les scientifiques d’HERA ont commencé à le faire. HERA est un accélérateur en forme d’anneau, à près de quatre kilomètres à la ronde, dans lequel des électrons faisant 47 000 tours par seconde sont fracassés en protons dans l’autre sens. Plus l’énergie de la collision est grande, plus un électron peut pénétrer profondément dans un proton avant d’être dévié. En mesurant la façon dont l’électron est dévié dans des millions de collisions, les physiciens peuvent collecter des informations sur les composants internes qui effectuent la déflexion. C’est comme prendre une photo de l’intérieur d’un proton, dit Wilczek, pixel par pixel — et les résultats correspondent à la proposition que lui et ses collègues ont faite il y a des décennies.

« Ce n’est qu’au niveau le plus grossier qu’un proton est constitué de trois quarks « , explique Wilczek. « Quand vous regardez de près et entrez dans ces nuages et commencez à voir la structure de base, vous voyez que c’est surtout de la colle. »

Ce qui rend d’autant plus intéressante la question de savoir comment l’univers a jamais réussi à concevoir une telle chose.

Visiter un laboratoire de physique des particules, c’est être frappé par un contraste d’échelle — entre la petitesse des objets étudiés et l’immensité des ressources — personnes, machines, puissance de calcul, énergie électrique, espace, argent — qui y sont consacrées. (Si cette infrastructure semble un prix élevé à payer pour obtenir des informations sur l’origine de l’univers, considérez que le Web — conçu pour aider les scientifiques à communiquer d’énormes fichiers de données — est une idée originale du CERN.) Le CERN consomme presque autant d’électricité que la ville de Genève, sa voisine. Le plus grand accélérateur du CERN, le Grand collisionneur Électron-Positron, occupe un tunnel circulaire à 17 kilomètres à la ronde. Dans les années à venir, il sera démantelé et remplacé par un accélérateur encore plus puissant, le Grand collisionneur de Hadrons, qui recréera l’énergie qui existait un trillionième de seconde après le Big Bang. (Les hadrons sont des particules nucléaires, comme les protons, qui sont faites de quarks et de gluons.) Pour fabriquer un plasma quark-gluon, vous n’avez pas besoin de remonter aussi loin dans le temps — la première microseconde fera l’affaire — vous avez donc besoin d’un accélérateur moins puissant.

Pourtant, le Synchrotron à Super Protons du CERN se trouve à plus de quatre kilomètres à la ronde. Il est logé dans un tunnel qui se trouve à 300 pieds sous terre, et dans ce tunnel, à l’intérieur d’un tube en aluminium de quelques pouces de large, les noyaux de plomb sont accélérés par des aimants à 99,9% de la vitesse de la lumière. Ils sont ensuite guidés jusqu’à la surface et dans une immense salle ressemblant à une usine, longue de 300 mètres. Le tube en aluminium se divise en différents détecteurs, où les noyaux de plomb – chacun composé de 208 protons et neutrons, les jumeaux électriquement neutres des protons — se brisent en un morceau de feuille de plomb de quelques centaines de micromètres d’épaisseur.

Ce qui se passe ensuite, en théorie, est simple: La collision crée une boule de feu suffisamment intense pour faire fondre les protons et les neutrons. Les quarks et les gluons circulent librement, comme ils le font profondément à l’intérieur d’un proton, mais maintenant sur une région large de plusieurs protons, formant un plasma quark-gluon. « Si vous regardez le film du Big Bang en arrière, il devient de plus en plus dense, de plus en plus chaud », explique Reinhard Stock de l’Université de Francfort, qui a contribué à la conception de l’un des détecteurs du CERN, « et nous savons que toutes les structures liées se brisent lorsque leur densité d’énergie dépasse leur énergie de liaison. »La chromodynamique quantique exige qu’un plasma quark-gluon existe à une certaine densité d’énergie, »mais vous devez prouver qu’il existe », explique Stock. « Et c’est pourquoi nous sommes ici depuis 15 ans. »

Le problème est que la boule de feu de laboratoire se dilate rapidement et se refroidit rapidement, tout comme la boule primordiale a dû le faire. Le plasma ne survit que pendant 10 à 22 secondes avant que les quarks et les gluons ne se condensent à nouveau en protons et autres hadrons. Ce que les physiciens détectent en fait, c’est un jet de milliers de telles particules sortant à l’arrière de la feuille de plomb. Dans le détecteur de Stock, les particules volent ensuite à travers une boîte de gaz d’argon de la taille d’une pièce, éliminant les électrons des atomes d’argon. Les compteurs enregistrent les électrons, et les ordinateurs reconstruisent les traces de particules, qui révèlent leur identité. Une fois que les physiciens ont analysé le déluge de données — chaque collision produit 10 mégaoctets de données, et Stock et ses collègues ont enregistré des millions de collisions — ils peuvent apprendre quelque chose sur la boule de feu productrice de plasma.

Au cours des dernières années, les détecteurs de Stock et d’autres au CERN ont confirmé que les boules de feu étaient suffisamment chaudes et denses pour produire du plasma quark-gluon. Ils ont trouvé un excès de particules contenant des quarks « étranges » et une pénurie de particules contenant du « charme » — qui sont tous deux des effets secondaires prédits par la chromodynamique quantique. (Les quarks étranges et les quarks de charme sont des sortes exotiques que l’on ne trouve pas dans les particules ordinaires.) Tout cela équivaut à un cas puissant que le CERN a créé du plasma quark-gluon – mais cela ne constitue pas une preuve. « Le problème est qu’ils n’ont pas pu l’observer directement », explique Tom Ludlam, physicien au Laboratoire national de Brookhaven.

Le collisionneur d’ions lourds relativistes de Brookhaven, qui devrait commencer à faire de la physique cet été, va entrer en collision avec des noyaux d’or à 10 fois l’énergie possible au CERN et ainsi atteindre des températures qui permettront à un plasma quark-gluon de survivre un tout petit moment de plus. Au fur et à mesure que les quarks se refroidissent à partir d’un billion de degrés, ils devraient émettre un rayonnement thermique, sous la forme de photons gamma. C’est le signal le plus direct possible du plasma quark-gluon, et le collisionneur de Brookhaven devrait pouvoir le détecter. Vous pouvez le considérer comme le flash de lumière que l’univers a émis lorsque tous ses protons sont nés.

Même les scientifiques de Brookhaven ne pourront finalement pas répondre à la question de savoir d’où viennent les protons. Un mystère central restera. À l’intérieur d’un proton, comme les gluons vont et viennent, comme les quarks et les antiquarks vont et viennent dans leurs essaims innombrables, un nombre reste constant: Il y a toujours trois quarks de plus qu’il n’y a d’antiquarks. Ce sont les quarks qui, « au niveau le plus grossier », comme le dit Wilczek, composent le proton. Pourquoi sont-ils de la matière et non de l’antimatière? Pourquoi l’univers est-il fait de matière et non d’antimatière ? La réponse va au-delà de la chromodynamique quantique. Un léger déséquilibre entre quarks et antiquarks, si Wilczek et d’autres théoriciens ont raison, était déjà présent dans le plasma primordial quark-gluon. Pour comprendre son origine, il faudra des accélérateurs qui atteignent des énergies encore plus élevées, comme le Grand collisionneur de hadrons du CERN. Cela nécessitera de nouveaux types de théories — dont certaines, malheureusement, pourraient exiger que nous commencions à considérer les particules comme de minuscules boucles de cordes et l’univers comme ayant beaucoup plus de dimensions que les quatre que nous connaissons et aimons.

À mesure que la physique évolue, l’image du proton que la chromodynamique quantique nous a donnée peut sembler rassurante, concrète et solide — bien que le solide soit exactement ce qu’un proton n’est pas. Voler en un – si vous pouvez imaginer faire cela, chevaucher la force forte dans une sorte de planeur sous-nucléaire – serait comme tomber dans l’atmosphère terrestre. La haute atmosphère du proton est un mince cirrus de paires quark-antiquark virtuelles; ils forment un bouclier pour ce qui se trouve en dessous. Au fur et à mesure que vous les dépassez, l’atmosphère devient de plus en plus dense, les nuages de plus en plus épais. Votre avion est frappé avec une fréquence et une force croissantes par des éclairs de couleur – les gluons. Et puis, peut-être aux quatre cinquièmes de votre descente, vous sortez de la couverture nuageuse. Le trajet est plus calme maintenant. Les éclairs n’ont pas disparu; ils se sont fondus en une feuille continue, et d’une manière ou d’une autre, vous vous sentez à la fois léger et à l’abri de toutes les forces. Vous êtes près du centre du proton maintenant, complètement pris au piège alors que vous tombez vers l’asymptote de la liberté totale, et vous trouvez. . . pas grand-chose.

« Plus vous regardez de près, plus vous constatez que le proton se dissout en beaucoup de particules, chacune transportant très, très peu d’énergie », explique Wilczek.  » Et les éléments de réalité qui ont déclenché le tout, les quarks, sont ces petites choses minuscules au milieu du nuage. En fait, si vous suivez l’évolution sur des distances infiniment courtes, la charge de déclenchement passe à zéro. Si vous étudiez vraiment les équations, cela devient presque mystique. »