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• fondamentaux

8 10 14

Le saviez-vous ?

Six histoires autour des particules élémentaires

Zoom 

les composants de la matière

L’avis de l’expert michel spiro

« une nouvelle physique des particules émerge »

Les grandes étapes de la recherche

de l‘hypothèse de l‘électron à la découverte du boson de higgs

• savoirs

I. Au cœur des accélérateurs 18 22 26 30 34 38

Le boson de Higgs enfin identifié

par Vincent Glavieux

Les détecteurs qui ont piégé le boson

par Daniel Fournier et Yves Sirois

À la poursuite du spin manquant

par Serge Kox et Jean-Marc Le Goff

Retrouver le plasma de l’Univers primordial

par Jean-Paul Blaizot

Des expériences ébranlent la supersymétrie

par Vincent Glavieux

Un siècle de physique des particules

par Jérôme Grenèche

II. Les inconnues du cosmos 42 46 48 52 56

Les neutrinos défient les physiciens

par Gilles Cohen-Tannoudji et Étienne Klein

Une nouvelle particule fantôme

par Thierry Lasserre

D’où viennent les rayons cosmiques ?

par Antoine Letessier-Selvon

La nature insaisissable de la matière noire

par Jules Gascon

La traque d’antimatière dans l’espace

par Aurélien Barrau et Laurent Derome

4 • les dossiers de La Recherche | juin-juillet 2013 • N° 4

©© illustration : paul gendrot

6


sommaire s

✶ références

e i g o l o

Traduction automatique Comprendre des langues sans les apprendre >> Repères p. 82

La traduction automatique en 6 questions

>> Initiatives p. 86

•  L'armée américaine se veut polyglotte •  Des sites web évolutifs •  Téléphoner en 17 langues

>> Savoir-faire p. 90 •  Le parcours d'une phrase

>> Acteurs p. 92

•  Ils créent des programmes sur mesure

>> Avenir p. 96

•  « Les logiciels traduiront 600 langues dans dix ans »

>> Pour en savoir plus p. 98 •  Sur le Web

C

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Les meilleurs livres et sites Web

Cahier Technologies

Retrouvez sur le Web : > les archives du magazine La Recherche > l’actualité de la recherche, le blog des livres et l’agenda des manifestations scientifiques > les abonnements et les anciens numéros Sur Twitter : http://twitter.com/maglarecherche

N° 4 • juin-juillet 2013 | les dossiers de La Recherche • 5

Ce numéro comporte un encart La Recherche sur les ventes France et export (hors Belgique et Suisse) ; un encart Edigroup sur les ventes Belgique et Suisse.

n h c e r

>

En savoir plus

t

Vers une conception unifiée de la nature  ar Gilles Cohen-Tannoudji p Mécanique quantique et réalité par Albert Einstein Remarques sur les concepts fondamentaux p ar Albert Einstein La signification de la mécanique ondulatoire p ar Erwin Schrödinger

76

Document

©© Maximilien Brice / 2007 CERN

66

Histoire des sciences

L’électron en quête d’identité par Marie-Christine de La Souchère

©© NASA / ESA / CFHT / CXO/Ciel et Espace Photos

62


• fondamentaux

Les grandes étapes de De l’hypothèse de l’électron à la découverte du boson de Higgs

΍1891

Le physicien irlandais George Johnstone Stoney forge le nom d’« électron » pour désigner une charge électrique échangée lors d’une réaction chimique.

΍1896

©© EMILIO SEGRE VISUAL ARCHIVES / AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS/S.P.L. / COSMOS

La découverte de la radioactivité – émission de particules par le noyau de l’atome – par le Français Henri Becquerel montre que l’atome, nommé ainsi parce qu’on le croyait insécable, peut subir des modifications.

΍1897

L’électron est détecté dans un tube cathodique par le Britannique Joseph John Thomson, qui parvient à déterminer sa masse, plus de mille fois inférieure à celle de l’atome.

΍1905 

Le physicien allemand Albert Einstein publie

la théorie de la relativité restreinte et propose de considérer la lumière comme un flux de particules élémentaires.

΍1911 

Ernest Rutherford, physicien et chimiste britannique, élabore un modèle d’atome dans lequel les électrons tourneraient autour d’un noyau. Ce dernier concentrerait la plus grande partie de la masse de l’atome.

΍1920 

Ernest Rutherford baptise du nom de « proton » le noyau de l’atome d’hydrogène.

΍1922

Arthur Compton, physicien américain, montre que des grains de lumière qui se heurtent aux électrons des atomes perdent un peu de leur énergie : il met ainsi en évidence l’existence des photons.

΍1924 

Wolfgang Pauli prédit l’existence d’une particule neutre insensible aux champs magnétiques, qui sera baptisée plus tard « neutrino ».

Le physicien autrichien Wolfgang Pauli formule le principe d’exclusion : deux électrons d’un atome ne peuvent se trouver au même endroit dans le même état quantique.

Le Britannique James Chadwick met en évidence l’existence à l’intérieur du noyau d’une particule électriquement neutre qu’il nomme « neutron ».

΍ 1925 

14 • les dossiers de La Recherche | juin-juillet 2013 • N° 4

΍ 1932 

΍1932

L’Américain Carl Anderson découvre une particule de masse égale à l’électron mais de charge électrique opposée : c’est le positon, antiparticule de l’électron.

΍1913

Le physicien danois Niels Bohr complète le modèle atomique de Rutherford en y intégrant la constante de Planck : il pose ainsi le principe que l’atome émet un rayonnement électromagnétique uniquement lorsqu’un électron passe d’un niveau d’énergie à un autre.

΍ 1930 

Le physicien français Louis de Broglie propose d’étendre aux particules la dualité entre onde et corpuscule, observée pour la lumière.

΍1935

Ernest Rutherford, qui tient ici un instrument permettant de désintégrer l’atome, a mis en évidence l’existence du noyau de l’atome en 1911.

L’existence des mésons, particules sensibles à l’interaction forte – laquelle assure la cohésion des noyaux atomiques –, est


la recherche

■■Marine Benoiste

prédite par le physicien japonais Hideki Yukawa.

΍1936

Carl Anderson découvre, dans les rayons cosmiques, une nouvelle particule appelée par la suite « muon ».

΍1947

Les physiciens introduisent le terme de « lepton » pour décrire des particules plus légères que les mésons, insensibles à l’interaction forte. Les électrons sont des leptons.

΍ 1977 

Au laboratoire américain Fermilab spécialisé dans la physique des particules,

©© L.B.L. / S.P.L. / Cosmos

΍1964

Les physiciens américains Murray GellMann et George Zweig émettent l’hypothèse que les particules sensibles à l’interaction forte sont composées de quarks. On pense alors qu’il en existe quatre, que l’on nomme « bas », « haut », « étrange » et « charme ».

Le détecteur de neutrinos de l’Observatoire de Sudbury au Canada (vu du dessous) et celui de SuperKamiokande au Japon ont établi que le neutrino possède une masse non nulle, mais très faible.

des physiciens montrent l’existence d’un cinquième quark, nommé « beau ».

΍1984 

Les trois bosons Z°, W+ et W- sont découverts par une équipe du CERN. Ce sont les vecteurs de l’interaction nucléaire faible (responsable de la radioactivité b).

΍1995 

Le sixième et dernier quark est mis en évidence au Fermilab. C’est le quark « vérité » ou « top ».

΍1998

Les observations du Super-Kamiokande au Japon et celles de l’Observatoire de neutrinos de Sudbury au Canada

démontrent que les neutrinos ont une masse très faible mais non nulle.

΍2005 

Des physiciens recréent un état proche de celui qui existait au tout début de l’Univers dans le collisionneur d’ions lourds relativistes américain RHIC en faisant

s’entrechoquer des noyaux d’or, afin de briser les liaisons des particules élémentaires.

΍2012

Le boson de Higgs, clé de voûte du modèle standard de la physique des particules, est découvert au CERN au Grand collisionneur de hadrons (LHC).

N° 4 • juin-juillet 2013 | les dossiers de La Recherche • 15


• savoirs

Des expériences ébran Au Grand collisionneur de hadrons du CERN près de Genève, certaines expériences pourraient apporter une réponse concernant l’existence de particules supersymétriques dans les prochaines années.

L

L’essentiel

e monde est-il supersymétrique ? Autre­ ment dit, existe-t-il, pour ­chaque ­particule connue de l’Univers, une superparticule qui lui serait systématiquement associée et que nous n’aurions pas encore détectée ? L’idée de ces « super­partenaires » a été formulée pour la première fois à la fin des années 1970 par le physicien français Pierre Fayet. Elle ­faisait suite à la publication, ­q uelques années plus tôt, de plusieurs articles ­scientifiques exposant la ­t héorie dite de la « super­symétrie ». Les physiciens cherchaient ainsi à ­c ombler ­certaines lacunes du modèle qui décrit les ­particules ­élémentaires et leurs interactions à l’échelle de l’infiniment petit. Mais, près de trente-cinq ans plus tard, personne n’a encore vu ces super­particules, ou « ­s particules » comme les ­nomment les physiciens. Aujourd’hui, c’est vers le Grand collisionneur de hadrons  (LHC) du CERN, près de Genève, que se tournent tous les regards. En effet, c’est au cœur des grands accélérateurs que les physiciens espèrent

pouvoir les détecter. Jusqu’ici, les prédécesseurs du LHC, le Tevatron aux États-Unis, et le LEP, au CERN, n’y sont pas parvenus. Le LHC, avant sa fermeture pour optimisation à la mi-février 2013, non plus. Mais il compte sur la future montée en puissance de ses faisceaux – de 4  téraélectronvolts (1  TeV = 1012 électronvolts) chacun en 2012 à 6,5, puis 7 TeV, en 2015  – pour ­tenter d’apporter une réponse.

le couple fermions-bosons Pourquoi postule-t-on l’existence de sparticules ? Pour le ­comprendre, il faut revenir au modèle standard de la ­physique des particules. Ce modèle décrit deux grandes ­classes de ­particules : les fermions, qui sont les constituants de la matière, et les bosons, qui permettent les interactions entre fermions [fig. 1]. Outre des rôles différents, fermions et bosons se distinguent par leur spin, une propriété quantique ­intrinsèque. « Ce spin est demi-entier pour les fermions, et entier pour les bosons », explique Pierre Fayet, de l’École normale supérieure.

>>Des particules supersymétriques établiraient des liens entre les deux types de particules élémentaires, les fermions et les bosons. >>En provoquant des collisions protons-protons, les physiciens espèrent prouver l’existence de superparticules. >>Les expériences Atlas et CMS pourraient apporter la réponse définitive d’ici à 2015.

34 • les dossiers de La Recherche | juin-juillet 2013 • N° 4

Vincent Glavieux

est journaliste.

Enfin, chaque fermion et chaque boson possède sa masse propre : celle du quark top, l’un des constituants élémentaires de la matière, tourne par exemple autour de 173 gigaélectronvolts (1 GeV = 109 électronvolts) ; celle du gluon, qui est le boson porteur de l’interaction forte, est, elle, considérée comme nulle.

le lien manquant des superpartenaires En association avec chaque type de boson, le modèle standard décrit donc les trois interactions fondamentales : l’électromagnétisme, associé aux photons, permet la cohésion des atomes en liant les électrons et le noyau des atomes. L’interaction nucléaire forte, portée par les gluons, assure la cohésion des noyaux atomiques en liant les protons et les neutrons (tous deux composés de quarks) entre eux au sein de ce noyau. Quant à l’interaction nucléaire faible, associée aux bosons W et Z, elle permet la radioactivité. Le modèle standard regroupe ces interactions grâce à tout un jeu de symétries : il existe ainsi une symétrie entre les interactions faibles et l’électromagnétisme, entre l’électromagnétisme et les interactions fortes, et entre les interactions faibles et fortes. En revanche, le modèle standard ne relie pas directement les fermions et les bosons. Comment, en effet, ces deux types de particules parviennent-ils à interagir, alors qu’ils possèdent des propriétés et des fonctions si différentes ?


au cŒur des accélérateurs

lent la supersymétrie Fig.1  Le monde des particules Les particules élémentaires du modèle standard

©© infographie : bruno bourgeois

Photino

u

c

t

Gluon

Gluino

d

s

b

Neutrino du tau

Z

Z

v

v

Tau

W

W

Sélectron

Smuon

Haut

Charme

Top

Photon

Bas

Étrange

Beauté

Neutrino de l'électron

Neutrino du muon

Électron

Muon

Quarks

Les particules supersymétriques

Leptons

Fermions

Higgs

Bosons

Bosons

Higgsino

e

Fermions

Constituants de la matière Assurent la transmission (Spin = 1/2) des forces de la nature (Spin = 1)

Fermions (Spin = 1/2)

μ

Sleptons

v

τ

Stau

Squarks

Bosons

(Spin = 0)

Le modèle standard compte 17 particules connues : 12 fermions (rouge et jaune) constituant la matière ; 4 bosons (vert) responsables des interactions entre fermions ; et 1 boson de Higgs (bleu). Son extension supersymétrique associe une particule « miroir » à chacune : 12 bosons (rouge et jaune) pour les 12 fermions du modèle standard, 4 fermions (vert) reliés aux bosons du modèle standard et 1 higgsino (bleu), pour le Higgs.

C’est là qu’interviennent les extensions supersymétriques du modèle standard. Afin d’introduire des liens entre bosons et fermions, elles ajoutent une autre symétrie. Concrètement, il s’agit d’une relation « cachée » entre les fermions et les bosons, qui modifierait ainsi leur spin d’une demi-unité. Chaque fermion, de spin 1/2, serait associé à un superpartenaire de spin entier (zéro en l’occurrence), tandis que ­chaque boson, de spin entier, serait lui associé à un superpartenaire de spin demi-entier. À tous les fermions correspondraient ainsi des bosons supersymétriques, que l’on nomme « sélectrons », « squarks », etc. et à tous les bosons correspondraient des fermions super­symétriques, les photinos par exemple. Ces particules

super­symétriques se caractériseraient aussi par une masse bien supérieure à celle de leur partenaire connu. « Pour tous ces super­ partenaires – dont les squarks, partenaires super­symétriques des quarks, et les gluinos, partenaires supersymétriques des gluons  –, les théories supersymétriques pré­ voient des masses qui devraient être de l’ordre de la centaine de GeV, ou au plus du TeV », indique Pierre Fayet.

un modèle à quatre bosons de higgs Au sein du CERN, deux collaborations internationales, regroupant chacune plusieurs milliers de physiciens, cherchent à ­repérer, à la suite des centaines de milliards de collisions produites

annuellement par le LHC, des traces d’énergie anormales dans les détecteurs : elles pourraient en effet être la preuve de l’existence de particules supersymétriques. Ces deux collaborations sont Atlas, pour « A Toroidal LHC Apparatus », et CMS, acronyme de « Compact Muon Solenoid ». Pendant longtemps, les physiciens du CERN ont orienté leurs recherches en fonction d’un modèle théorique privilégié : le modèle standard super­symétrique minimal (MSSM). Supposé être le plus simple, le MSSM est le modèle le plus proche du modèle standard : il ajoute un nombre minimal de superparticules – une, plus rarement deux, par particule connue, et quatre bosons de Higgs. Il est aussi le modèle >>>

N° 4 • juin-juillet 2013 | les dossiers de La Recherche • 35


• savoirs

La nature insaisissable de la matière noire La matière noire n’en finit pas d’échapper aux physiciens. Mais, grâce au perfectionnement de leurs détecteurs, de plus en plus sensibles, ils pourraient bientôt parvenir à la piéger.

L

L’essentiel

a matière noire, qui constitue près de 85 % de la matière totale de l’Univers, ne se laisse pas observer par le premier détecteur venu. Depuis ­q uatre-vingts ans, les astro­physiciens la recherchent sans ­succès. Grâce à l’amélioration de leurs instruments, ils ont toute­fois resserré l’étau autour des ­particules qui la ­composent. Détecteurs plus sensibles, accélérateurs de particules plus puissants : la découverte ne serait plus qu’une question d’années. C’est Fritz Zwicky, astrophysicien ­améri­cano­-suisse, qui dans les années 1930 a suggéré le premier qu’il existait de la matière noire. Il avait en effet observé que des galaxies se déplaçaient plus vite que prévu par la théorie newtonienne de la gravitation. Pour expliquer ce phénomène en restant en conformité avec la théorie, il a supposé l’existence d’une matière invisible, lourde et stable, présente au voisinage des galaxies, qu’il

nomma « matière noire ». D’abord oubliés, les résultats de Fritz Zwicky ont été confirmés dans les années 1970 grâce à des mesures de vitesse des étoiles en fonction de leur distance au centre de leur galaxie. Aujourd’hui, la grande majorité des astrophysiciens sont ­convaincus de l’existence de cette matière noire. Mais ils ignorent toujours sa nature. Ils ont d’abord suspecté qu’elle était faite ­d’objets massifs peu lumineux tels que des trous noirs et des naines brunes*. Mais ceux-ci sont trop rares pour expliquer les observations. De ­surcroît, les calculs de la quantité de matière noire dans l’Univers ont montré que celle-ci ne peut pas être constituée de matière baryonique, la matière ordinaire. Cette dernière, dont on peut ­calculer par ailleurs la quantité totale, dans le cadre du modèle du Big Bang, n’est pas suffisamment abondante. Après avoir un temps suspecté qu’il pouvait s’agir de neutrinos (lire « Les neutrinos défient les physiciens », p. 42), les

>>Près de 85 % de la matière qui constitue l’Univers est invisible : on la qualifie de « matière noire ». >>La matière noire serait formée de particules massives, encore inconnues, interagissant peu avec la matière ordinaire. >>Plusieurs sortes de détecteurs traquent ces particules, qui pour l’instant échappent à l’observation. Mais l’étau se resserre.

52 • les dossiers de La Recherche | Juin-Juillet 2013 • N° 4

Jules Gascon

est professeur à l’institut de physique nucléaire de Lyon.

physiciens pensent désormais que la matière noire est constituée de particules encore inconnues, dont l’existence est prévue par certains modèles de la physique des particules tels que les ­modèles supersymétriques (lire « Des expériences ébranlent la supersymétrie », p. 34).

trois stratégies d’observation

* Une naine brune est un astre dont la masse est supérieure à celle d’une planète mais inférieure à celle d’une étoile. * La force d’interaction faible, l’une des quatre forces fondamentales du modèle standard, est responsable de la radioactivité b.

Mais que sait-on vraiment de ces particules ? Les observations des galaxies ont établi qu’elles sont soumises à la force de gravitation. Autre propriété, déduite de l’impossibilité de les détecter : elles n’émettent et ­n’absorbent aucun rayonnement électromagnétique. Selon les modèles supersymétriques, ces particules seraient sensibles à la force d’interaction ­faible*. Toujours selon ces ­modèles, elles devraient être entre 10 et 10 000 fois plus massives que le proton, soit une masse de 10 à 10 000  giga­ électronvolts (GeV). Dans un tel intervalle de masse, il y a de la place pour des ­particules assez ­différentes les unes des autres. Mais on les regroupe ­toutes sous le nom de « Wimps », acronyme anglais pour « particule massive interagissant faiblement ». Pour lever le voile sur les Wimps, astrophysiciens et physiciens des particules ont imaginé trois types d’observations : une détection


©© NASA / ESA / Ciel et Espace

les inconnues du cosmos

Cette photographie, créée à partir de deux images prises par le satellite Hubble, montre un amas de galaxies (le halo blanc, au centre), au sein duquel la matière noire (en bleu clair) jouerait le rôle de liant. Les points rouges représentent des galaxies voisines.

directe, une détection indirecte et la création de matière noire dans des accélérateurs de parti­ cules. La recherche simultanée sur ces trois fronts permettra d’iden­ tifier la nature des Wimps. Fabriquer des détecteurs pour observer directement la matière noire semble une option toute trouvée. Notre galaxie devrait, comme les autres, baigner dans un large halo de matière noire. Nous serions ainsi traversés en perma­ nence par un flux de ces particu­ les dont quelques-unes pourraient être « attrapées ». Pour cela, les astrophysiciens ont construit des détecteurs capables d’interagir avec elles. Certains uti­ lisent ainsi du xénon liquide puri­ fié. En Italie, le détecteur Xenon en utilise 162 kilogrammes. Le détec­ teur Zeplin, au cœur de la mine

* Le rayonnement cosmique est un flux de particules chargées baignant le cosmos et qui peuvent atteindre les détecteurs, même s’ils sont enfouis profondément.

de Boulby en Grande-Bretagne, se sert aussi de ce liquide. D’autres, tels les détecteurs CDMS, aux ÉtatsUnis, et Edelweiss, près du tunnel du Fréjus, ont recours à une cible solide en cristaux de germanium.

détection directe sous terre Les détecteurs doivent être très sensibles : ces particules peuvent traverser des milliers de kilo­ mètres de matière solide sans interagir avec elle. Même avec les meilleurs détecteurs actuels, on n’attend pas plus d’une inter­ action par an. Lorsqu’une parti­ cule de matière noire interagit avec un atome du détecteur, un signal tel qu’un flash lumineux ou une ­augmentation de la tem­ pérature est engendré [fig. 1]. Mais il ne ­suffit pas ­d’attendre

un hypothétique signal : en fait les détecteurs sont constamment ­sollicités par d’autres ­phénomènes. Ainsi, le rayonnement cosmique*, flux de particules qui bombar­ dent la Terre en permanence, est une source de bruit de fond. Pour ­s’isoler de ce rayonnement, les ins­ tallations sont construites sous terre, parfois à plus de 1 000 mètres de profondeur. Par ailleurs, de nombreux signaux parasites sont produits par les désintégrations radio­ actives des atomes du détecteur lui-même. À titre d’exemple, dans 1  kilogramme de matière ordi­ naire, une centaine d’atomes se désintègrent chaque seconde. C’est la raison pour laquelle on utilise des matériaux comme le xénon ou le germanium, qui peu­ vent être débarrassés des >>>

N° 4 • Juin-Juillet 2013 | les dossiers de La Recherche • 53


• savoirs

La traque d’antimatière Installée sur la Station spatiale internationale, une expérience aux détecteurs très élaborés vient d’identifier un excès d’antiélectrons dans le rayonnement cosmique.

D

L’essentiel

epuis deux ans, une mission de détection d’antimatière sans précédent engrange des données à 400 kilomètres au-dessus de nos têtes. Il s’agit de l’expérience AMS (sigle anglais pour « spectromètre magnétique alpha »), qui s’est envolée en mai 2011 à bord de la navette américaine Endeavour afin d’être installée sur la Station spatiale internationale. Cette expérience traque les antiparticules des rayons cosmiques voyageant dans l’espace, ce qui pourrait permettre de répondre à la question de l’existence d’anti­ mondes, mondes d’antimatière qui seraient séparés du nôtre. Avant d’avoir enfin rejoint la station spatiale, la mission avait joué de malchance. Toutefois, ces débuts chaotiques ont ­p ermis d’optimiser ses instruments. Pleinement opérationnelle, la ­mission commence, aujourd’hui, à livrer ses premiers résultats. Comment détecter l’antimatière dans l’espace ? De façon claire et mesurable, il en existe une faible quantité dans les rayons cosmiques, parmi ces particules

énergétiques qui sillonnent l’espace interstellaire. Ce sont essentiellement des antiélectrons, appelés « positons », et des antiprotons. Leur présence n’est a priori pas mystérieuse et peut provenir de processus dit « secondaires » : lorsqu’un proton du rayonnement cosmique, animé d’une grande vitesse par rapport à la galaxie, entre en collision avec la matière du milieu interstellaire, il peut former un antiproton. Les lois de la physique nucléaire permettent de calculer la probabilité associée à ce phénomène tout à fait standard et d’expliquer sans difficulté les flux d’anti­protons observés. Ces anti­particules représentent environ un dix-­millième des particules. C’est une proportion très faible mais une quantité néanmoins non négligeable. Pour autant, cette anti­matière « ­s econdaire » n’a aucun lien avec d’éventuelles antigalaxies : il s’agit juste d’une petite composante de la masse et de l’énergie de la Voie lactée. Quant à l’énigme des « anti­ mondes », elle reste entière. Selon la théorie du Big Bang, il serait naturel que matière et antimatière

>>Le plus ambitieux détecteur de particules jamais mis en orbite est installé depuis 2011 sur la Station spatiale internationale. >>Les premiers résultats font état d’un excès d’antimatière dans le spectre du rayonnement cosmique. >>Pour en connaître la cause, il faudra encore accumuler des résultats sur des événements à plus haute énergie.

56 • les dossiers de La Recherche | Juin-Juillet 2013 • N° 4

Aurélien Barrau

est professeur au laboratoire de physique subatomique et de cosmologie de l’université Joseph-Fourier à Grenoble.

Laurent Derome

est enseignantchercheur dans le même laboratoire.

aient été produites en quantités identiques au début de l’Univers. Par ailleurs, les lois qui les régissent sont quasiment les mêmes. Pourtant, l’Univers apparaît composé essentiellement de matière ! Pourquoi ? Par quel mécanisme la matière l’a-t-elle donc emporté sur l’antimatière ? Manifestement, Neil Armstrong ne s’est pas annihilé en marchant sur la Lune : celle-ci est bien faite d’atomes et non pas d’antiatomes !

un univers scindé en vastes domaines Nous savons avec certitude que toute notre galaxie, hormis donc ces infimes traces dans le rayonnement cosmique que nous venons d’évoquer, est bien composée de matière. L’antimatière est-elle « absente » de tout l’Univers ou est-elle « autre part » ? Aujourd’hui, la première hypothèse est la plus ­prisée. Mais, il n’est pas totalement exclu que l’Univers soit scindé en vastes domaines : les uns de matière et les autres d’anti­matière. Ces derniers seraient alors composés d’anti­ galaxies, dotées d’anti­étoiles abritant leurs antiplanètes, voire leurs anti­astrophysiciens ! L’Univers serait donc cloisonné en zone de matière et zone d’anti­ matière. La détection d’un seul antinoyau lourd dans le rayonnement cosmique – par exemple un anti­carbone – corroborerait cette hypothèse. Il est, en effet, impossible de synthétiser ce type de noyau autrement que dans une antiétoile. Une telle détection serait


les inconnues du cosmos

©© AMS COLLABORATION SITE / JOHNSON SPACE CENTER / NASA

dans l’espace donc la preuve de l’existence de ces antiétoiles ! Ce serait une découverte majeure. Si la découverte n’a pas lieu, l’image d’un Univers fondamentalement asymétrique – ayant favorisé la matière contre l’antimatière – s’en trouvera renforcée. C’est le scénario le plus vraisemblable car, si l’Univers était scindé en zone de matière et zone d’antimatière, il est probable que des annihilations auraient lieu aux frontières de ces domaines et aucun signal associé à ces processus n’a été clairement détecté.

Pour expliquer ce grand mystère de la cosmologie, il n’y aurait alors d’autre choix que de recourir à une physique plus complexe que celle de l’actuel modèle standard, qui synthétise notre connaissance des particules élémentaires. L’étude de l’antimatière céleste ne se résume pas à la seule recherche d’antiétoiles. D’autres enjeux, au moins tout aussi importants, y sont associés. Le fait qu’elle soit peu abondante – moins de 0,01 % des particules  – dans le rayonnement cosmique de la galaxie

peut être tourné en avantage : parmi les rayons cosmiques, un très léger excédent d’anti­matière est en effet bien plus aisé à repérer qu’un petit nombre de protons ou d’électrons en plus, qui passerait complètement inaperçu. A contrario, le même nombre d’antiprotons ou d’antiélectrons excédentaires pourrait être facilement décelable, compte tenu du peu d’antiparticules provenant des processus secondaires. Or, précisément, des phénomènes très intéressants pourraient >>>

le spectromètre magnétique alpha (ci-dessus, cercle blanc), installé depuis 2011 sur la Station spatiale internationale, est chargé de déceler les antiparticules dans les rayons ­cosmiques. Les premiers résultats publiés en avril 2013, d’une précision inégalée, annoncent un léger excès d’antiélectrons par rapport à ce qui était prévu.

N° 4 • Juin-Juillet 2013 | les dossiers de La Recherche • 57


EXTRAIT ◂ DOCUMENT

©© Fred Stein Archive / adoc-photos

J

Mécanique quantique et réalité

e me propose dans ce qui suit ­d’exposer Albert Einstein mais aussi de la nature, par définition incom(1879-1955) sommairement les raisons pour lesplètement connue, du mécanisme de la mesure. quelles je considère que la méthode de Il en va de même lorsque c’est l’impulsion, ou la mécanique quantique n’est pas dans son printoute autre grandeur observable relative à
 la particule, qui cipe satisfaisante. Je dois d’abord faire remarest mesurée. Cette interprétation est certainement celle
 qui a la faveur des physiciens à l’heure actuelle ; et il faut quer que je ne conteste absolument pas que cette théorie représente un progrès significatif […]. J’imagine que cette bien admettre qu’elle est la seule qui rende compte de théorie sera englobée un jour dans une autre […]. manière naturelle, dans
le cadre de la mécanique quantique, de l’état de choses empirique
qu’expriment les relaI tions de Heisenberg. Je considère une particule libre qui, à Selon cette conception, deux foncun certain instant, est décrite (complètetions C qui diffèrent (de façon non triment, au sens de la mécanique quantique) viale) l’une de l’autre décrivent toujours par une fonction C d’extension spatiale deux situations réelles différentes (par limitée. Dans ce type de représentation, la exemple, la particule ayant une position particule n’a ni impulsion ni localisation bien déterminée et la particule ayant rigoureusement déterminées. une impulsion bien déterminée). En quel sens puis-je penser que cette Ce qui vient d’être dit vaut également, description représente un état de fait indimutatis mutandis, pour la description viduel réel ? Deux conceptions se présendes systèmes constitués de plusieurs tent immédiatement à l’esprit ; je vais les masses ponctuelles. Là aussi, on supcomparer l’une à l’autre. pose (au sens de l’interprétation Ib) que a) La particule (libre) a en réalité une la fonction décrit complètement un état position et une impulsion bien
 détermide choses réel et que deux fonctions C nées, même si celles-ci ne peuvent être essentiellement différentes décrivent établies par la mesure
toutes les deux en deux états de fait différents — même même temps, sur un seul et même cas s’il arrive qu’en effectuant une mesure individuel. Dans cette conception, la fonction C donne complète on trouve des résultats identiques : l’identité des une description incomplète d’un état de choses réel. résultats de mesure est alors attribuée en partie à l’effet, partiellement inconnu, du protocole de mesure. Cette conception n’est pas celle qu’ont adoptée les physiciens. Accepter cette hypothèse conduirait à rechercher en II physique, à côté de la description incomplète, une description complète de l’état des choses, et à en rechercher les lois. Si l’on se demande ce qui, indépendamment de On sortirait alors du cadre de la mécanique quantique. la théorie quantique, caractérise le monde des idées b) La particule n’a en réalité ni impulsion bien déterde la physique, ce qui frappe tout d’abord c’est que minée, ni position bien déterminée ; la description par les concepts de la physique se rapportent à un monde la fonction C est complète,
par définition. La valeur préextérieur, autrement dit, on se fait une idée au sujet cisément définie de la position, que
 j’obtiens lors d’une de choses (corps, champs, etc.) qui revendiquent une mesure de position, ne peut pas être interprétée 
comme « existence réelle » indépendante du sujet de la percepétant la position de la particule avant la mesure. La localition, ces idées étant, par ailleurs, mises en rapport de sation précise qui apparaît lors de la mesure est produite la façon la plus sûre possible avec les impressions des uniquement 
par l’intervention, inévitable et non néglisens. De plus, ce qui caractérise les choses de la physique, geable, que constitue la
 mesure. Le résultat de la mesure c’est qu’elles sont pensées comme étant rangées dans un ne dépend pas que de la situation
réelle de la particule, continuum d’espace-temps. Et, ce qui paraît essentiel >>>

N° 4 • juin-juillet 2013 | les dossiers de La Recherche • 69


EXTRAIT ◂ DOCUMENT

LA SIGNIFICATION DE LA MÉCANIQUE ONDULATOIRE

©© Meggers Collection/ S.P.L. / Cosmos

L

Erwin davantage – comme on en observe dans les a grande découverte par Louis de Schrödinger fines raies spectrales – il faut un temps comBroglie du phénomène ondulatoire 1887-1961 parable à l’intervalle moyen entre les transiassocié à l’électron fut suivie en tions. La transition doit être couplée avec la quelques années, d’une part de l’incontestable évidence expérimentale (fondée production du train d’ondes. Par suite, si l’on ne comprend sur les figures d’interférences) de la réalité des ondes pas la transition, mais seulement les « états stationnaires », on ne comprend rien. Le système émetteur est en Broglie (Davisson et Germer, G. P. Thomson), et d’autre effet occupé tout le temps à produire les trains d’ondes part d’une vaste généralisation de ses idées originelles, lumineuses, il ne lui reste pas de temps pour s’attarder qui embrasse le domaine entier de la physique et de la chimie, et dont on peut dire qu’elle occupe aujourd’hui aux chers « états stationnaires », excepté peut-être à le terrain sur toute la ligne, encore que l’état fondamental. ce ne soit pas exactement de la manière Un autre trait déconcertant de l’inoù Louis de Broglie et ses premiers adhéterprétation probabiliste, c’était et c’est rents l’avaient envisagé. que la fonction d’onde est estimée varier de deux façons entièrement Car il a dû  être donné à Louis distinctes (tant qu’aucun observateur de Broglie le même coup et la même n’interfère avec le système, on la fait ­déception qui me furent donnés à moiobéir à l’équation d’onde – tandis qu’à même, lorsque nous apprîmes qu’une chaque observation on la fait changer en une fonction propre de l’opérateur sorte d’interprétation transcendanassocié au mesurage exécuté, fonction tale, presque psychique, du phénomène propre appartenant à la valeur propre ondulatoire avait été mise en avant, qui fut très vite saluée par la majoqu’on a trouvée). Je ne connais qu’un rité des maîtres théoriciens comme la seul essai timide (J. von Neumann dans seule conforme à l’expérience et qui est son livre notoire) d’attribuer ce « changement par la mesure » à l’action d’un ­devenue désormais le dogme orthodoxe, accepté par presque tous, toutefois avec opérateur de perturbation introduit par des exceptions assez remarquables. Notre désappoinla mesure, – pour le rendre alors, lui aussi, contrôlé unitement consistait en ce qui suit. Nous avions cru que quement par l’équation d’onde. […] les fréquences propres du phénomène ondulatoire, qui étaient en rigoureux accord numérique avec ce qu’on Le caractère non physique de la fonction d’onde appelait jusqu’alors les niveaux d’énergie, offraient une (dont on dit parfois qu’elle incarne simplement tout ce que nous savons), se trouve même renforcé par le fait compréhension rationnelle de ces derniers. Nous avions la foi que la mystérieuse « théorie du caprice et de la que, dans la vue orthodoxe, son changement dû à l’opérasecousse » à propos de la transition par saut d’un niveau tion de mesure dépend de ce que l’observateur s’informe d’énergie à un autre, était désormais écartée. Nous poudu résultat. En outre le changement n’a lieu que pour l’observateur qui s’informe du résultat. Si vous êtes prévions attendre de nos équations d’onde qu’­elles décrivent sent, mais n’êtes pas informé du résultat, alors – même tous les changements de ce genre comme des processus si vous avez la plus minutieuse connaissance à la fois de lents et réellement descriptibles. Cet espoir n’avait point la fonction d’onde avant la mesure et des appareils utilipour cause une prédilection personnelle à l’égard de la sés – la fonction d’onde modifiée ne vous concerne pas, ­description continue, mais tout simplement le désir d’un elle est pour ainsi dire inexistante ; pour vous il y a au genre de description ­quelconque pour de tels changemieux une fonction d’onde se rapportant au dispositif ments. C’était une cruelle nécessité. Pour produire un de mesure plus le système considéré, une fonction >>> train cohérent d’ondes lumineuses de 100 cm de long et

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La traduction automatique en 6 questions « Traduire, c’est trahir », dit l’adage. Les ordinateurs seuls ne font pas mieux que l’homme, mais ils facilitent le passage d’une langue à une autre, à l’écrit comme à l’oral.

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traduction automatique / Repères

1 Des logiciels

­ euvent-ils réellep ment traduire seuls des textes d’une langue à l’autre ?

S

i l’on songe à des outils qui tra­ duiraient des textes de ­toute nature portant sur n’importe quel sujet, la réponse est négative. Mais les besoins des gros consomma­ teurs de traduction concernent surtout des domaines particu­ liers. Il s’agit par exemple d’in­ dustriels qui doivent ­fournir avec leurs produits des documents ­t echniques (notamment pour la maintenance) dans la ­langue de leurs clients. Pour ce genre de documents, des logiciels aux ­c ompétences ­r éduites fournis­ sent des traductions imparfaites, et préparent ainsi le travail des traducteurs humains. L’éditeur de logiciels califor­ nien Autodesk, par exemple, s’est équipé au fil du temps d’un outillage adapté à ses besoins, exploitant des dictionnaires cor­ respondant à son métier et sans cesse améliorés, paramétrés pour le genre de textes qu’il produit. Les traducteurs humains tra­ duisent ainsi avec une efficacité accrue des documents dans les douze ­langues correspondant aux marchés visés par l’entreprise. Au lieu de saisir eux-mêmes le texte dans la langue cible, ils corrigent

82 • les dossiers de La Recherche | JUIN-JUILLET 2013 • N° 4

les prétraductions proposées par le système de traduction ­automatique – on parle de « post­ édition » – ce qui prend beaucoup moins de temps. Mais on peut aller plus loin, en s’intéressant à un domaine d’appli­ cation encore plus restreint et à des textes plus formatés. Pendant près de trente ans, une équipe de l’uni­ versité de Montréal a mis au point et amélioré un système de traduc­ tion automatique pour le service météorologique canadien. De 1977 à 2005, ses versions successives ont été utilisées pour traduire des mil­ lions de bulletins quotidiens. Dans la dernière période, un réviseur humain devait toujours ­donner son imprimatur, mais on admet que c’était essentiellement pour des raisons légales, le système pro­ duisant des traductions de grande qualité. Un tel niveau d’automa­ tisation n’a été obtenu que parce que le système était très spécia­ lisé, avec un vocabulaire réduit et une syntaxe simple. Désormais, la météo canadienne utilise un outil permettant l’édition directe de ­bulletins bilingues. Exemple plus récent, le système ALTFlash, réalisé par la société japonaise NTT pour le Nikkei, Bourse de Tokyo. Depuis 1998, ce logiciel traduit des brèves finan­ cières du japonais à l’anglais. Il requiert tout de même un peu de postédition humaine.

2 Quelle est

l’efficacité de ces logiciels ?

O

n peut comparer la producti­ vité de traducteurs selon qu’ils ont ou non recours à des outils de traduction assistée par ordinateur. Les gains de productivité publiés dans les articles ­s cientifiques sont cependant très variables, notamment parce que les situa­ tions concrètes dans ­lesquelles travaillent les professionnels de la traduction sont très variées. Autodesk s’est néanmoins livré, en 2011, à un test d’efficacité qui a occupé 37 traducteurs pendant deux jours. L’expérience portait sur un échantillon de documents tech­ niques en anglais représentatifs de la production habituelle de cet éditeur et ­faisait appel à son pro­ pre outillage de traduction assistée par ordinateur. Le gain de produc­ tivité mesuré à l’issue de ce test dépendait largement de la langue cible, allant de 42 % pour le chinois à 131 % pour le français.

3 Existe-t-il plu-

sieurs types de logiciels de traduction ?

H

istoriquement, ce n’est pas le traducteur que l’on a tout d’abord voulu aider, mais le « veilleur », euphémisme pour désigner un espion. Dès l’invention


©© FABRICE COFFRINI / AFP

Margaret Chan donne une conférence après sa reconduction à la direction générale de l’OMS, en mai 2012. Cette organisation possède six langues officielles : anglais, arabe, chinois, espagnol, français et russe. Comme d’autres, elle est une grande utilisatrice de traduction assistée par ordinateur.

de l’ordinateur, on a songé outreatlantique que l’outil ­informatique pourrait aider à s’informer sur ce qui se passait de l’autre côté du rideau de fer, en facilitant l’accès à des documents rédigés en russe. L’objectif n’était pas de fournir des traductions parfaites, mais de se faire une idée du contenu d’un article ou d’un ouvrage. On retrouve cette fonction avec le système Google Translate, qui ­permet d’obtenir une traduction sommaire du contenu de sites Web en 64 langues. Ce n’est que progressivement que l’on a envisagé la traduction automatique « du traducteur ». Celle-ci facilite le travail d’un professionnel ayant une excellente maîtrise des langues source et cible, mais pas forcément du sujet abordé par le texte. On lui propose alors une prétraduction qu’il n’a plus qu’à postéditer. On travaille également sur des outils de traduction ­destinés à des utilisateurs peu ou pas ­compétents linguistiquement mais fin

connaisseurs du sujet traité. On parle alors de « traduction automatique du transcripteur », qui aide un spécialiste à traduire vers sa propre langue un texte dans une langue qu’il ne connaît pas mais sur un sujet qu’il maîtrise parfaitement. Il ne lui reste plus qu’à réviser les textes produits, dans sa langue maternelle, sans même regarder le texte d’origine. Certains systèmes relèvent de la démarche qualifiée de « traduction automatique pour l’auteur ». Ils permettent à un spécialiste de produire, dans une langue qu’il ne maîtrise pas, un texte sur un sujet qu’il domine. C’est alors par l’interaction dans la langue de l’auteur que les difficultés sont traitées, notamment pour lever des ambiguïtés. Enfin, on trouve aujourd’hui des outils de « traduction automatique de dialogue ». Ils permettent d’échanger du courrier électronique avec un interlocuteur parlant une langue qu’on ne maîtrise pas.

4 Quels sont

les principes fondamentaux de ces logiciels ?

L

es outils de traduction ­assistée par ordinateur ont d’abord reposé, à partir des années 1950, sur des approches dites « ­expertes ». Une équipe d’informaticiens­linguistes incorpore ­toutes ­sortes de connaissances des langues concernées dans un outil logiciel capable d’analyser le texte source et de produire un équivalent dans la langue cible, accompagné de dictionnaires. Ces connaissances peuvent être inscrites « en dur », dans le code même de ces logiciels, ou exprimées par des « règles » ou d’autres formalismes susceptibles de représenter des notions linguistiques. Dans le premier cas, ­chaque nouveau couple de langues sera traité par un logiciel distinct ; dans le second cas, on développe au contraire une « plate-forme » de traduction assistée par ordinateur à usages multiples. >>>

N° 4 • JUIN-JUILLET 2013 | les dossiers de La Recherche • 83

Les Dossiers de La Recherche n°4  

Les particules élémentaires > La découverte du boson de Higgs > L'énigme de la matière noire > L'inconstance du neutrino > La traque de l'an...

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