Au-delà du Modèle Standard

Le Modèle Standard est la théorie la plus précisément testée de l'histoire de la science. Le moment magnétique de l'électron concorde avec la prédiction théorique à 12 décimales. Et pourtant, nous savons avec certitude que le Modèle Standard est incomplet. Il ne rend pas compte de la gravité, de la matière noire, de l'énergie noire, des masses des neutrinos, ni de l'asymétrie matière-antimatière de l'univers.

Le Problème de Hiérarchie

La crise théorique la plus aiguë en physique des particules : pourquoi le boson de Higgs est-il si léger ? La masse mesurée est $m_H \approx 125$ GeV. Mais en théorie quantique des champs, la masse du Higgs reçoit des corrections radiatives de particules virtuelles à toutes les échelles d'énergie. Pour obtenir le bon résultat, la masse nue du Higgs et les corrections quantiques doivent s'annuler à une part sur $10^{34}$.

Le Problème CP Fort

Le lagrangien de la QCD autorise un terme violant CP. Les expériences contraignent $|\bar{\theta}| < 10^{-10}$. Mais $\bar{\theta}$ est un paramètre libre sans raison d'être petit. La solution la plus populaire est le mécanisme de Peccei-Quinn, qui prédit l'axion, un excellent candidat pour la matière noire.

Asymétrie Matière-Antimatière

L'univers est massivement composé de matière plutôt que d'antimatière. Sakharov a identifié trois conditions nécessaires : la violation du nombre baryonique, la violation de C et CP, et le départ de l'équilibre thermique. Le Modèle Standard satisfait ces trois conditions en principe, mais quantitativement, la violation de CP du MS est bien trop faible.

Matière Noire et Énergie Noire

Les observations astrophysiques et cosmologiques fournissent des preuves accablantes que 27% de la densité d'énergie de l'univers est de la matière noire et 68% est de l'énergie noire. Le Modèle Standard ne représente qu'environ 5% du total. Les principaux candidats particulaires incluent les WIMPs, les axions et les neutrinos stériles.

Gravité

Le Modèle Standard n'inclut pas la gravité. La relativité générale est une théorie classique qui s'effondre quand les effets quantiques deviennent importants, à l'échelle de Planck $E \sim M_{Pl} \sim 10^{19}$ GeV.

Supersymétrie (SUSY)

La supersymétrie postule une symétrie entre fermions et bosons : chaque particule connue a un « superpartenaire » dont le spin diffère de 1/2.

Le LHC a cherché des superpartenaires jusqu'à ~2 TeV sans en trouver. Cela met une pression significative sur la SUSY naturelle.

Grande Unification

Les théories de grande unification (GUT) englobent le groupe de jauge du MS dans un seul groupe plus grand. Le plus simple est $SU(5)$ (Georgi-Glashow). Une prédiction clé des GUT est la désintégration du proton. Super-Kamiokande a fixé une limite inférieure de $\tau_p > 2.4 \times 10^{34}$ ans.

Dimensions Supplémentaires

Peut-être que le problème de hiérarchie ne concerne pas la masse du Higgs trop légère, mais la gravité trop faible. S'il existe des dimensions spatiales supplémentaires, la gravité pourrait se diluer sur un plus grand volume. Le modèle de Randall-Sundrum utilise une dimension supplémentaire avec une géométrie courbée pour expliquer la hiérarchie.

Higgs Composite et Technicolor

Une approche alternative : le Higgs n'est pas un scalaire fondamental mais un état composite, analogue aux pions en QCD. Les modèles de Higgs composite modernes utilisent la compositeness partielle pour générer les masses des fermions.

Recherches Expérimentales au LHC

Le Grand Collisionneur de Hadrons au CERN, opérant à des énergies jusqu'à 13.6 TeV, est l'outil principal pour chercher la physique BSM. Malgré des recherches intensives, aucune nouvelle particule au-delà du Modèle Standard n'a été trouvée.