On connaît quatre forces fondamentales dans l'Univers : la gravité, l'électromagnétisme, la force nucléaire forte, la force nucléaire faible. Des scientifiques apportent de nouvelles preuves en faveur d'une cinquième, la particule X17.

Le « Modèle standard » représente aujourd’hui l’ensemble des découvertes et des théories sur la structure de la matière. Ce modèle postule que l’Univers est constitué de douze particules élémentaires et de quatre forces fondamentales. Dans un article de recherche mis à disposition sur la plateforme arXiv, le 20 novembre 2019, des scientifiques apportent de nouvelles preuves de l’existence possible d’une cinquième force fondamentale.

Tous les phénomènes physiques de l’Univers proviennent de ce que les physiciens appellent des interactions élémentaires. Chacune de ces interactions s’exprime par une force dite fondamentale. Quatre d’entre elles sont prouvées : la gravité, l’électromagnétisme, la force nucléaire forte, la force nucléaire faible. En 2016, un physicien hongrois et son équipe faisaient la Une de la presse scientifique lorsqu’ils apportaient les premières preuves de l’existence d’une cinquième force. Leur nouvelle étude vient apporter, en 2019, des éléments supplémentaires d’observation pour étayer cette hypothèse.

L’existence d’une cinquième force fondamentale pourrait aider à résoudre la problématique de la matière noire, en faisant le lien entre le visible et l’invisible. // Flickr/CC/Chandra X-ray Observatory Center

La particule X17, nouveau boson fondamental ?

Cette cinquième force s’exprimerait par le biais de la « particule X17 ». Cette dernière viendrait expliquer une anomalie, repérée en 2016. Les chercheurs hongrois observent alors le comportement d’un isotope radioactif, le béryllium-8, au sein d’un accélérateur de particules. Projeté à très grande vitesse, le noyau se rompt, en émettant un flash lumineux. Les scientifiques observent qu’à partir d’un certain stade d’énergie émise, le flash lumineux se décompose en une paire de deux particules, un électron et un positon. La façon dont elles se repoussent devrait former un angle prédictible selon les lois de conservation de l’énergie. Or, ce ne fut pas du tout le cas : l’angle observé était bizarre, puisqu’il ne collait pas à notre connaissance du comportement de la matière.

Pour les scientifiques, le phénomène s’explique par l’existence d’une particule inconnue jusqu’ici — et qui n’est pas seulement une particule parmi d’autres, mais bien un boson fondamental. Ils l’ont nommée X17 en raison de potentiel énergétique de 17 mégaélectronvolts, soit 33 fois plus qu’un électron mais n’existant qu’une fraction de seconde. Pour les scientifiques, ce boson impliqué dans l’étrange phénomène ne peut pas appartenir à l’une des quatre forces déjà connues puisque ses caractéristiques ne collent avec aucune d’entre elles. Cela ne peut pas non plus être le graviton, cette particule hypothétique qui serait reliée à la force gravitationnelle.

La même équipe de recherche a récemment renouvelé l’expérimentation, mais non plus sur du béryllium. Cette fois-ci, ils ont stimulé des atomes d’hélium au sein de l’accélérateur de particules. Le phénomène s’est reproduit : le noyau a émis un flash lumineux dont l’énergie s’est décomposée en une paire électron-positon. De nouveau, les deux particules se sont repoussées selon un angle anormal et imprédictible. D’après les calculs mathématiques des scientifiques, le boson expliquant cette interaction aurait un potentiel énergétique proche de 17 mégaélectronvolts. C’est un nouvel élément en faveur de la particule X17.

Dans leur papier, les auteurs de l’expérience rappellent que cette énigme pourrait avoir une relation avec la matière noire. L’existence d’une cinquième force dans l’Univers, capable d’influer sur des particules comme le ferait la X17, pourrait effectivement nous éclairer sur le lien entre la matière visible et la matière invisible. Quoi qu’il en soit, la réponse au problème n’est pas pour tout de suite : avant d’agrandir la famille de forces fondamentales, l’étude doit encore être révisée par les pairs et d’autres expériences doivent être menées,

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