10 particules théoriques qui pourraient tout expliquer

Depuis des siècles, l’humanité a creusé les mystères qui entourent la composition exacte de l’univers. Les Grecs de l'Antiquité ont été les premiers à supposer l'existence d'atomes, qu'ils croyaient être les plus petites particules de l'univers - les «blocs de construction» de tout. Pendant environ 1 500 ans, c’était notre connaissance de la matière. Puis, en 1897, la découverte de l’électron a laissé le monde scientifique en ruine. Tout comme les molécules étaient composées d'atomes, les atomes semblaient maintenant avoir leurs propres ingrédients.

Et plus nous cherchions, plus les réponses semblaient défiler entre nos doigts, toujours hors de portée. Même les protons et les neutrons - les blocs constitutifs des atomes - sont constitués de pièces de plus en plus petites, appelées quarks. Chaque découverte semble simplement soulever plus de questions. Le temps et l'espace ne sont-ils que des paquets et des amas de petites miettes chargées, trop petits pour être vus? Peut-être, mais encore une fois, ces dix particules théoriques pourraient tout expliquer. Si nous pouvions réellement les trouver:

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Strangelets

Commençons par quelque chose de plus proche de ce que nous savons déjà, les quarks. Il existe plus d'un type de quark: six, pour être exact. Les quarks «haut» et «bas» sont les types les plus courants et font partie des protons et des neutrons des atomes. Les "étranges" quarks, en revanche, ne sont pas si communs. Lorsque des quarks étranges se combinent en nombre égal avec des quarks ascendants et descendants, ils créent une particule appelée strangelet, et les strangelets sont les fragments vaporeux qui forment une matière étrange.

Maintenant, selon l'hypothèse de la matière étrange, les strangelets sont créés dans la nature lorsqu'une étoile à neutrons massive - une étoile massivement effondrée - crée une pression telle que les électrons et les protons de son noyau fusionnent, puis s'effondrent en une sorte de bulle de quark, que nous appelons matière étrange. Et comme de grandes strangelets peuvent théoriquement exister en dehors de ces environnements de centre d'étoiles à haute pression, il est probable qu'ils se soient éloignés de ces étoiles pour aller dans d'autres systèmes solaires, y compris le nôtre.

Et c'est là que ça devient fou: si ces choses existaient, une grande strangelet serait capable de convertir le noyau d'un atome en une autre strangelet en entrant en collision avec celui-ci. La nouvelle strangelet pourrait alors entrer en collision avec plus de noyaux, les convertissant en davantage de strangelets dans une réaction en chaîne jusqu'à ce que toute la matière sur Terre soit convertie en matière étrange. En fait, les installations du Grand collisionneur de hadrons ont dû publier un communiqué de presse déclarant qu’elles étaient peu susceptibles de créer accidentellement des strangelets capables de détruire la planète. Voilà à quel point la communauté scientifique prend au sérieux la question des strangelets.

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Sparticules

La théorie de la supersymétrie stipule que chaque particule de l'univers possède une particule jumelle opposée, connue sous le nom de particule supersymétrique, ou particule. Donc, pour chaque quark, il y a une sœur - un squark - qui partage une symétrie parfaite avec lui. Il y a un photino pour chaque photon. Et ainsi de suite pour les soixante et une particules élémentaires connues. Donc, s'il y en a tellement, pourquoi n'avons-nous pas découvert tout de ces sparticules encore?

Voici la théorie: en physique des particules, les particules lourdes se désintègrent plus rapidement que les particules plus légères. Si une particule devient suffisamment lourde, elle se décompose presque immédiatement une fois créée. En supposant que les sparticules soient incroyablement lourdes, elles se décomposeraient en un clin d'œil, tandis que leurs super-partenaires, les particules que nous pouvons voir et observer, continuent à vivre. Cela pourrait aussi expliquer pourquoi il y a tant de matière dans l'univers et pourtant si précieuse petite matière noire, car les sparticules pourraient comprendre de la matière noire et exister dans un champ qui est à ce jour non observable.

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Antiparticules

La matière est constituée de particules et, de la même manière, l'antimatière est constituée d'antiparticules. Tout cela a du sens, non? Les antiparticules ont la même masse que les particules normales, mais une charge opposée et un moment angulaire opposé (spin). Cela ressemble à la théorie de la supersymétrie, mais contrairement aux particules, les antiparticules se comportent exactement comme des particules, allant même jusqu'à se transformer en anti-éléments, comme l'antihydrogène. Fondamentalement, toute la matière a l'antimatière correspondante.

Ou du moins, ça devrait. C'est le problème - il y a beaucoup de matière autour de, mais l'antimatière ne se trouve pas vraiment nulle part. (À l'exception de la divulgation complète dans Large Hadron Collider, des antiparticules ont été trouvées et ne sont plus théoriques).

Pendant le Big Bang, il aurait dû y avoir un nombre égal de particules et d’antiparticules. L'idée est que toute la matière dans l'univers a été créée à ce moment-là. Donc, par défaut, toute l'antimatière devait être créée en même temps. Une théorie est qu'il y a d'autres parties de l'univers dominé par l'antimatière. Tout ce que nous pouvons voir, même les étoiles les plus éloignées, est principalement de la matière. Mais notre univers visible ne pourrait être qu'une petite partie de l'univers, tandis que les planètes et les soleils et les galaxies antimatières fourmillent dans une autre sphère de l'univers, comme des électrons et des protons de charge opposée tournant l'un autour de l'autre dans un atome.

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Gravitons

À l’heure actuelle, les antiparticules constituent un énorme problème dans les théories actuelles de la physique des particules. Envie d'entendre parler d'un autre problème? La gravité. Comparée à d'autres forces, telles que l'électromagnétisme, la gravité est plus faible que l'éternuement lors d'un combat au poing. Il semble également changer de nature en fonction de la masse d'un objet. La gravité est facile à observer sur les planètes et les étoiles, mais réduisez-la au niveau moléculaire et semble faire tout ce qu'elle veut. Et en plus de tout cela, il n'a même pas de particule pour la porter, comme les photons qui transportent la lumière.

C'est là que le graviton entre en jeu. Le graviton est la particule théorique qui permettrait en quelque sorte à la gravité de s'intégrer au même modèle que toutes les autres forces observables.Parce que la gravité exerce une faible traction sur chaque objet, quelle que soit la distance, il devrait être sans masse. Mais ce n'est pas le problème: les photons sont sans masse et ils ont été trouvés. Nous sommes allés jusqu'à définir les paramètres exacts dans lesquels un graviton devrait entrer et dès que nous trouverons une particule - toute particule - qui correspond à ces paramètres, nous aurons un graviton.

Le trouver serait important car, pour le moment, la relativité générale et la physique quantique sont incompatibles. Mais à un certain niveau d'énergie, appelé échelle de Planck, la gravité cesse de suivre les règles de la relativité et glisse dans les règles quantiques. Donc, résoudre le problème de gravité pourrait être la clé d'une théorie unifiée.

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Graviphotons

Il y a une autre particule de gravitation théorique, et c'est absolument magnifique. Le graviphoton est une particule qui serait créée lorsque le champ gravitationnel est excité dans une cinquième dimension. Il découle de la théorie de Kaluza Klein, qui propose que l’électromagnétisme et la gravitation puissent être unifiés en une seule force à condition qu’il y ait plus de quatre dimensions dans l’espace-temps. Un graviphoton aurait les caractéristiques d'un graviton, mais il porterait également les propriétés d'un photon et créerait ce que les physiciens appellent une «cinquième force» (il existe actuellement quatre forces fondamentales).

D'autres théories affirment qu'un graviphoton serait un super partenaire (comme une particule) de gravitons, mais qu'il attirerait et se repousserait en même temps. En faisant cela, les gravitons pourraient théoriquement créer de l'anti-gravité. Et ce n’est que dans la cinquième dimension - la théorie de la supergravité pose également l’existence de graviphotons, mais autorise onze dimensions.

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Preons

De quoi sont faits les quarks? Tout d’abord, donnons-nous une idée de l’échelle. Le noyau d'un atome d'or a soixante dix neuf protons. Chaque proton est composé de trois quarks. Maintenant, la largeur du noyau de cet atome d'or est d'environ huit femtomètres de diamètre. C'est huit millions de nanomètres, et un nanomètre est déjà un milliardième de mètre. Alors convenons simplement que les quarks sont petits et réalisons que les particules pré-sous-quark devraient être si petites qu’il n’ya pas d’échelle permettant de mesurer leur taille.

Il existe d'autres mots utilisés pour décrire les blocs de construction théoriques des quarks, y compris les primons, les sous-quarks, les quinks et les tweedles, mais «preon» est généralement le plus accepté. Et les préons sont importants car à l'heure actuelle, les quarks sont une particule fondamentale: ils sont aussi bas que possible. S'ils se trouvaient être composites ou constitués d'autres pièces, cela pourrait ouvrir la porte à des milliers de nouvelles théories. Par exemple, une théorie indique actuellement que l'antimatière insaisissable de l'univers est réellement contenue dans les préons, et que par conséquent, des fragments d'antimatière sont verrouillés à l'intérieur. Selon cette théorie, vous êtes vous-même une partie de l'antimatière. Vous ne pouvez pas le voir car les pièces de la matière forment de plus gros blocs.

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Tachyons

Rien ne s'approche plus de violer les lois de la relativité connues qu'un tachyon. C'est une particule qui se déplace plus rapidement que la lumière, et si elle existait, cela suggérerait que la barrière de vitesse de la lumière est… eh bien, plus une barrière. En fait, cela signifierait que la vitesse que nous connaissons comme la vitesse de la lumière serait le point central - de même que les particules normales peuvent se déplacer infiniment lentement (pas du tout), un tachyon existant de l'autre côté de la barrière serait: capable de se déplacer infiniment vite.

Bizarrement, leur relation à la vitesse de la lumière se refléterait. En termes simples, lorsqu'une particule normale accélère, ses besoins en énergie augmentent. Pour franchir réellement la barrière de vitesse, ses besoins en énergie augmenteraient à l'infini - il lui faudrait une énergie infinie. Pour un tachyon, plus il ralentit, plus il lui faut d’énergie. Au fur et à mesure qu'il ralentit et s'approche de la vitesse de la lumière de l'autre côté, ses besoins en énergie deviennent infinis. Mais quand il accélère, les besoins en énergie diminuent, jusqu’à ce qu’il n’y ait plus besoin d’énergie pour se déplacer à une vitesse infinie.

Pensez-y comme à un aimant: vous avez un aimant collé à un mur et un autre à la main. Lorsque vous poussez votre aimant vers le mur avec les pôles alignés, votre aimant est repoussé. Plus vous vous en approchez, plus vous devez pousser. Maintenant, imaginez de l'autre côté du mur un autre aimant faisant la même chose. L'aimant mural est la vitesse de la lumière et les deux aimants sont des tachyons et des particules normales. Donc, même si les tachyons existaient, ils seraient toujours piégés de l'autre côté d'une barrière que nous ne pourrions pas franchir nous-mêmes. Cependant, nous avons oublié de mentionner qu'ils pourraient techniquement être utilisés pour envoyer des messages dans le passé.

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Les cordes

Presque toutes les particules dont nous avons parlé jusqu'à présent s'appellent des particules ponctuelles; les quarks et les photons existent en un seul point, un tout petit point, si vous voulez, avec des dimensions nulles. La théorie des cordes suggère que ces particules élémentaires ne sont pas réellement des points, mais des chaînes, des brins de particules à une dimension. À la base, la théorie des cordes est une théorie de tout qui réussit à coexister avec la gravitation et la physique quantique (sur la base de ce que nous savons actuellement, ces deux ne peuvent pas exister physiquement dans le même espace. La gravitation ne fonctionne pas de manière quantique. niveau).

Donc, au sens large, la théorie des cordes est en réalité une théorie quantique de la gravité. Et à titre de comparaison, les chaînes remplaceraient les préons en tant que blocs de construction des quarks, tandis qu'à des niveaux plus élevés, tout reste identique. Et dans la théorie des cordes, la corde peut se transformer en n'importe quoi selon sa forme. Si la chaîne est un brin ouvert, il devient un photon. Si les extrémités de cette même corde se rejoignent et forment une boucle, cela devient un graviton, à peu près de la même manière que le même morceau de bois peut devenir soit une maison, soit une flûte.

Il existe en réalité plusieurs théories sur les chaînes et, chose intéressante, chacune d'entre elles prédit un nombre différent de dimensions. La plupart de ces théories indiquent qu'il y a dix ou onze dimensions, alors que la théorie des cordes de Bosonic (ou théorie des supercordes) n'en appelle pas moins de vingt-six. Dans ces autres dimensions, la gravité aurait une force égale ou supérieure à celle des autres forces fondamentales, ce qui expliquerait pourquoi elle est si faible dans nos trois dimensions spatiales.

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Branes

Si vous voulez vraiment une explication de la gravité, vous devez vous tourner vers la théorie M ou la théorie des membranes. Les membranes, ou branes, sont des particules pouvant englober de multiples dimensions. Par exemple, une 0-brane est une brane en forme de point qui existe dans les dimensions zéro, comme un quark. Une brane a une dimension - une chaîne. Une 2-brane est une membrane bidimensionnelle, et ainsi de suite. Les branes aux dimensions supérieures peuvent avoir n'importe quelle taille, ce qui nous amène à la théorie selon laquelle notre univers est en réalité une grande brane à quatre dimensions. Cette univers, notre univers, n'est qu'un morceau d'espace multidimensionnel.

Et quant à la gravité, notre brane à quatre dimensions ne peut pas la contenir. L'énergie de la gravité s'infiltre dans les autres branes à mesure qu'elle passe dans l'espace multidimensionnel. nous n'avons que les dribbles de ce qui reste, c'est pourquoi il semble si faible par rapport aux autres forces.

En extrapolant cela, il est logique que de nombreuses branes se déplacent à travers cet espace infini de branes dans un espace infini. Et à partir de là, nous avons les théories sur les univers multivers et cycliques. Ce dernier indique que l'univers se cycle: il se dilate à partir de l'énergie du Big Bang, puis la gravité ramène tout dans le même espace pour le Big Crunch. Cette énergie de compression déclenche un autre Big Bang, faisant rebondir l’univers dans un autre cycle, comme une cellule s’allumant dans la vie puis mourant.

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Particule de Dieu

Le boson de Higgs, plus communément appelé particule de Dieu, a été trouvé à titre expérimental le 14 mars 2013 dans le Grand collisionneur de hadrons (9). Comme arrière-plan, le boson de Higgs a été supposé pour la première fois dans les années 1960 en tant que particule qui donne de la masse aux autres particules.

Fondamentalement, la particule de Dieu est produite dans le champ de Higgs et a été proposée comme moyen d’expliquer pourquoi certaines particules qui auraient dû avoir une masse étaient en réalité sans masse. Le champ de Higgs - qui n’avait jamais été observé - devrait exister dans l’univers et fournir la force nécessaire pour que les particules acquièrent leur masse. Et si cela était vrai, cela comblerait d'énormes lacunes dans le modèle standard, ce qui constitue l'explication de base de tout littéralement (à l'exception, comme toujours, de la gravité).

Le boson de Higgs est vital car il prouve que le champ de Higgs existe et explique comment l’énergie à l’intérieur du champ de Higgs peut se manifester sous forme de masse. Mais c'est aussi important parce que cela crée un précédent; Avant sa découverte, le boson de Higgs n'était qu'une théorie. Il y avait des modèles mathématiques, des paramètres physiques qui lui permettraient d'exister, comment tout tourner. Nous n'avions aucune preuve de son existence. Mais sur la base de ces modèles et théories, nous avons pu identifier une particule spécifique - la plus petite chose de l'univers connu - qui correspondait à tout ce que nous avions supposé.

Si nous pouvons le faire une fois, qui peut dire qu'aucune de ces particules ne pourrait être réelle? Des tachyons, des strangelets, des gravitons-particules qui décaleraient tout ce que nous savons de la vie et de l’univers et nous amèneraient plus près de la compréhension des fondamentaux du monde dans lequel nous vivons.

Andrew Handley

Andrew est un rédacteur indépendant et le propriétaire du service de contenu HandleyNation, un service très sexy. Lorsqu'il n'écrit pas, il fait généralement de la randonnée ou de l'escalade, ou tout simplement en profitant de l'air frais de la Caroline du Nord.