Au milieu des années 1930, on expliquait que toute la substance matérielle du monde est constituée d'éléments chimiques et que chaque élément se compose d'
atomes. Chaque atome est à son tour l'assemblage d'un
noyau forgé d'un nombre variable de
protons de
charge positive et de
neutrons électriquement neutres. Les
électrons, de charge négative, entourent le noyau: ils sont tous les deux unis par la force d'attraction électrique. Chaque électron peut emprunter une orientation
spin-haut ou spin bas et chaque orbitale atomique peut accueillir deux électrons pourvus que leurs spins soient distincts. Ces derniers peuvent passer d'une orbitale à l'autre par le truchement de l'absorption ou l'émissions de rayonnement électromagnétiques, sous la forme de
photons.
On expliquait que le poids d'un cube d'eau gelée de 18 grammes situ dans le creux de votre main provient de la masse collective de dix millions huit cent mille milliards de protons et de neutrons.
Aujourd'hui, notre réponse est devenue nettement plus subtile.
Les protons et les neutrons au sein du noyau ne sont pas, en réalité, des particules élémentaires: ils sont constitués de quarks de charge fractionnaires.
Un proton rassemble trois
quarks de "saveurs" différentes - deux up et un down. Les quarks se distinguent également par leur "couleur" : rouge, vert, bleu. Les deux quarks up et le quark down d'un proton revêtent tous des couleurs différentes, dont la combinaison forme la couleur "blanche".
Un neutron se compose d'un quark up et deux quarks down, à nouveau chacun de couleur différente.
La
force de couleur entre les quarks est transmise par huit variétés distinctes de particules médiatrices, que l'on nomme collectivement
gluons. L'intensité de cette interaction croît non pas lorsque les quarks se rapprochent, comme nous pourrions l'imaginer, mais plutôt lorsqu'ils s'éloignent les uns des autres. La force nucléaire forte entre les protons et les neutrons est tout simplement le reliquat, un "avatar", de la force de couleur entre les quarks qui les composent.
La découverte d'une nouvelle particule au
CERN suggère fortement que la masse des quarks dérive des interactions avec le
champs de Higgs, qui métamorphosent les quarks sans masse en des particules massives. Ces interactions confèrent une profondeur aux particules, ce qui provoque leur ralentissement. C'est cette résistance à l'accélération que nous appelons masse.
Or la masse des quarks est trop petite: elle représente 1% seulement de celle d'un proton ou d'un neutron. Les 99% restants proviennent de l'énergie transportée par les gluons sans masse qui déambulent entre les quarks et assurent leur cohésion.
Dans le
modèle standard, le concept de masse, en tant que propriété ou mesure intrinsèque de la quantité d'une substance, s'est envolé. Au lieu de cela, la masse est entièrement construite à partir de l'énergie des interactions à l'oeuvre entre les champs quantiques élémentaires et leur particules.
Le
boson de Higgs est partie intégrante du mécanisme qui explique comment naît la masse de toutes les particules de l'Univers. Toute la matière du cosmos est bien constituée de quarks et de
leptons, mais elle doit sa véritable substance à l'énergie acquise au travers des interactions avec le champs de Higgs et l'échange de gluons.
Sans ces interactions, la matière serait aussi éphémère et éthérée que la lumière, et il n'y aurait rien.
Jim Baggott, La particule de Dieu, A la découverte du boson de Higgs, 2013
