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Le poids du monde mis en équation

Une équipe européenne a trouvé un modèle expliquant la majeure partie de la masse de l'Univers. Un résultat important qui ouvre de nouvelles perspectives dans la modélisation de l'interaction forte.

La chute du « mur de Berlin »

Le ''mur de Berlin'' renversé par des supercalculateurs... Ce dessin montre les supercalculateurs utilisés pour calculer les masses des protons, neutrons et autres “hadrons“ qui sont ici constitués de trois quarks de couleur différente (symbolisés en rouge, vert et bleu). © Forschungszentrum Jülich/Seitenplan with material from NASA, ESA and AURA/Caltech

On peut être bons physiciens et piètres voyants. La preuve avec cette prophétie émise en 2001, lors d'une conférence menée à Berlin par les papes de la chromodynamique quantique. Ceux-ci avaient en effet affirmé que les capacités de calcul actuelles ne permettraient jamais de décrire, dans leur globalité, les phénomènes conférant aux atomes leur masse. Surnommée « mur de Berlin », cette frontière théorique aura tenu moins longtemps que son ainé de briques puisqu'elle vient d'être rasée par une équipe européenne et par son modèle qui explique 95% de la masse de la matière (S. Dürr et al. Science, 21 novembre 2008).

Le couac médiatique

Fin novembre, les journaux du monde entier annoncent que, grâce à cet article scientifique, la célèbre équation qu'Albert Einstein a émise en 1905, le E=mc², a été corroborée. Une erreur initiée par un communiqué maladroit du CNRS. À l'époque, l'organisme de recherche français décide en effet d'alerter les médias de la sortie de cet article. Mais difficile d'appâter le chaland journaliste avec de la 'chromodynamique quantique'. Aussi, en bon communicant, le CNRS raccroche-t-il ce résultat aux travaux d'Einstein : « Une équipe vient de prouver que 95% de la masse résultent de l'énergie due aux mouvements des quarks et des gluons et à leurs interactions. Une masse issue d'une énergie, c'est un résultat quelque peu déroutant, pourtant traduit par la célèbre formule d'Einstein E=mc², énonçant l'équivalence entre masse et énergie. Jusqu'ici hypothèse, ce résultat est pour la première fois corroboré. »

Une dépêche de l'Agence France Presse annonce que, d'après le CNRS, le E=mc² d'Einstein vient d'être, pour la première fois, corroborée par une équipe européenne. Ce qui est faux. : « Je crains qu'avec cette annonce, le monde entier se soit moqué de nous, regrette Jaume Carbonell, chercheur au CNRS. Car non seulement ce n'est pas l'objet de la publication mais, en plus, l'équation d'Einstein a été corroborée il y a déjà fort longtemps par d'autres types de travaux. »

« C'est affreusement gênant », confirme Laurent Lellouch, l'un des auteurs de l'article qui, en lieu et place des félicitations escomptées, a dû accueillir les foudres de sa propre communauté. En fait, si le modèle avait montré qu'il était impossible d'expliquer la masse des atomes grâce à l'énergie, il aurait éventuellement pu remettre en cause la théorie d'Einstein. Par contre, le fait qu'il aille dans le même sens que cette dernière ne constitue, en aucun cas, une démonstration de cette théorie.

La masse du monde : une énergie

Quiconque a déjà porté un sac à dos dans sa vie sera sensible à cette vérité : la matière pèse. Elle pèse parce qu'elle a une masse et ce, parce qu'elle est constituée d'atomes. Des atomes que l'on aurait, de fait, tendance à imaginer massifs. À tort. Car si un atome brille par quelque chose, c'est surtout par sa vacuité.

Il est en effet composé d'un ou de plusieurs électrons qui se meuvent à bonne distance du noyau. La masse des électrons étant négligeable, celle d'un atome correspond en fait à celle du noyau. Un cœur composé de protons et de neutrons qui, eux-mêmes, sont constitués d'un trio de quarks, les briques les plus élémentaires de la matière. Mais le hic dans cette histoire d'infiniment petit, c'est que si l'on additionne la masse de chaque quark, on s'aperçoit que la somme ne représente que 1% de la masse d'un neutron ou d'un proton, et donc 1% de la masse du noyau, de l'atome et, par extrapolation, de la masse d'un sac à dos. À quoi correspondent alors les 99% restants ? À de... l'énergie !

Car si les quarks sont collés les uns aux autres par paquets de trois, c'est parce qu'ils échangent en permanence de l'énergie sous forme de gluons. C'est ce que l'on appelle l'interaction forte. Or, ce déballage d'énergie conduit à une augmentation de la masse. Pourquoi ? « Parce que cette énergie est confinée à l'intérieur des protons ou des neutrons et qu'elle ne peut pas en sortir », explique Jaume Carbonell du groupe de physique théorique de Grenoble. « C'est un peu comme si l'on mettait un essaim d'abeilles dans un sac et qu'on tapait dessus. Les abeilles se mettraient à voler dans tous les sens en butant contre les parois. Le sac serait plus difficile à déplacer. En quelque sorte, sa masse augmenterait... », raconte de façon imagée Laurent Lellouch, chercheur au centre de physique théorique de Marseille et co-auteur de l'article. Voici pour le principe général.

La course aux modèles

Dans le détail, les choses se compliquent quelque peu. D'abord parce que dans la matière, il n'y a pas un type de quark mais six et que les échanges énergétiques varient en fonction des quarks en présence. Ensuite, les algorithmes utilisés pour simuler ces interactions sont si complexes qu'il faut un temps quasi infini pour les résoudre. Résultat : pendant des décennies, les scientifiques se sont attachés à fractionner le problème en décrivant l'une ou l'autre des facettes du problème. « Seule une conjonction de deux paramètres nous a permis de venir à bout de ce casse-tête, précise Laurent Lellouch. C'est parce que nous avons eu accès à des supercalculateurs très performants* et que nous avons mieux su maîtriser les incertitudes découlant des algorithmes que nous sommes parvenus à considérer, pour la première fois, le problème de l'interaction forte dans sa globalité. »

Frank Wilczek, prix Nobel de physique 2004 © GFDL, cc-Betsy Devine-2.5

« Ce n'est pas tout à fait exact, nuance un concurrent Olivier Pene, du CNRS. Avant cette publication, d'autres modèles ont considéré le problème dans sa globalité. Ce travail est certes bon et intéressant, le plus performant à ce jour puisqu'il explique 95% du phénomène, mais il sera remplacé d'ici un mois ou deux par un modèle encore meilleur, encore plus précis... »

Une remarque qui soulève une question : si les avancées dans ce champ de recherche sont si progressives, pourquoi sortir ce modèle-ci du lot ? Réponse amusée de Frank Wilczek, prix Nobel de physique en 2004 pour ses travaux sur l'interaction forte : « Disons que c'est comme lorsque les explorateurs européens ont cherché à dessiner les contours du continent américain. Ils ont accosté à l'est puis ont formé plusieurs expéditions qui se sont enfoncées toujours plus loin vers l'ouest. Après plusieurs années d'une exploration longue et difficile, l'une d'elles a atteint la mer. Cela ne voulait pas dire que la totalité du territoire avait été découverte ou que l'exploration était terminée. Juste, il s'agit d'un événement assez notable pour être célébré... ». Au final, grâce à ce travail, les chercheurs ont désormais la certitude de pouvoir mettre en équation l'interaction forte. Une avancée qui devrait permettre d'étudier, d'un point de vue théorique, des phénomènes plus tenus, comme l'interaction faible. Mais c'est déjà une autre histoire...

* Blue Gene du CNRS et du Forschungszentrum Jülich ainsi que les fermes de calcul de l'Université de Wuppertal et du centre de physique théorique de Marseille.

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