Fable de la sardine et de la carotte

Cette fable est un essai pour expliquer l’interaction entre deux particules élémentaires.

C’est l’histoire d’un magicien qui peut uniquement accepter une carotte et donner une sardine. Lorsqu’il fait cela, peut apparaitre, au hasard, tout animal qui aime les carottes ou bien les sardines. D’autre part le magicien est discret et veut rester invisible. Comment va t’il s’y prendre?

Le magicien aperçoit un lapin qui passait par là, une carotte sous le bras. Il lui prend sa carotte et fait apparaitre une sardine, aussitôt un goéland se présente qui part avec la sardine. Le magicien se retrouve donc, comme à chaque fois qu’il fait son tour, avec une carotte et une dette d’une sardine.

Au départ il y a le lapin avec sa carotte. Le magicien prend la carotte et crée une sardine. En même temps que la sardine, un goéland apparait qui emporte la sardine et le magicien se retrouve avec une carotte et la dette d’une sardine (représentée par une sardine à l’envers).

On peut noter que si l’on fait la somme des aliments emportés par le goéland et le magicien, la sardine disparait avec la dette de sardine et il reste la carotte de départ. C’est une caractéristique de ces transformations, la propriété sur laquelle agit le magicien est conservée.

Mais le magicien ne veut pas que l’on sache qu’il a fait cette transformation, pour cela il faut qu’il se débarrasse de sa carotte et de sa dette de sardine. Il va donc créer, au hasard, deux nouveaux « animaux » qui sont fans de ces deux aliments ou bien profiter de la venue d’un de ces deux animaux et créer l’autre. Il est malin et sait s’adapter aux circonstances. Un magnifique albatros peut lui donner une sardine, ce qui va combler sa dette et un cochon d’Inde  va emporter la carotte. Ni vu, ni connu, le magicien a transformé un lapin et un albatros en un goéland et un cochon d’Inde; il n’apparait pas parmi les animaux de départ ni parmi les animaux présents à la fin; il aurait pu être caché dans une malle; on dit qu’il est virtuel.

Par l’intermédiaire du magicien-médiateur qui transmet une carotte et une dette de sardine entre un lapin et un albatros on obtient, au final, un goéland et un cochon d’Inde. 

Le magicien n’a fait que transmettre la carotte et la dette d’une sardine entre les deux couples formés par le lapin et le goéland, pour l’un, et l’albatros et le cochon d’Inde pour l’autre. Le magicien est en fait un médiateur qui transmet les deux aliments d’un couple à l’autre. Il ne sait que transmettre la carotte et une dette de sardine et ne maitrise pas la nature des animaux qui sont intéressés par l’un ou l’autre de ces aliments qui peuvent apparaitre au hasard. Par exemple lors d’une autre intervention du magicien des animaux différents pourraient apparaitre mais seuls ceux intéressés par la carotte ou la sardine peuvent se manifester.

L’image précédente illustre l’interaction entre deux particules élémentaires (le lapin et l’albatros). Cette interaction est assurée par une autre particule (le magicien) qui transmet uniquement certaines propriétés entre les différentes particules. La force (magicien) agit toujours sur les mêmes propriétés et peut donc affecter des particules différentes ayant ces mêmes propriétés (albatros, goéland, … ou bien lapin, cochon d’inde, …). Au lieu d’agir sur l’alimentation nous aurions pu aussi bien considérer que le magicien opérait sur l’aspect extérieur par exemple les poils ou les plumes. Cela serait l’exemple d’un autre type de forces qui correspondrait à des ensembles d’animaux plus larges que les précédents (par exemple aux animaux amateurs de carottes on ajouterait tous ceux qui ont des poils).

Par ces exemples on exprime que dans la Nature il existe différentes particules qui agissent sur des caractéristiques particulières que possèdent les particules qui interagissent. On en distingue essentiellement deux types qui représentent l’interaction électro-faible pour l’un et l’interaction forte pour l’autre. De même que carotte et sardine n’ont pas de rapport avec poil et plume il n’existe aucun moyen (connu) de faire communiquer l’interaction électro-faible et l’interaction forte.

Les propriétés que l’on échange pour générer une interaction correspondent à des charges. Par exemple la charge électrique mais on peut définir également des charges faible et forte. Ces charges sont conservées lors des interactions.

Les particules élémentaires nous permettent aussi d’envisager des interactions qui sont impossibles entre objets à notre échelle. Dans l’exemple précédent, une fois que le magicien se retrouve avec la carotte et la dette d’une sardine il a la possibilité, par deux autres moyens, de s’en débarrasser et ainsi de disparaitre.

Si aucun albatros n’est à l’horizon il peut directement donner la carotte. Se faisant, il apparait instantanément un hamster (pourquoi pas?). Il peut donner aussi la dette de sardine… Cependant nous ne connaissons pas d’animal qui va manger une dette de sardine! Qu’à cela ne tienne, dans le monde des particules, c’est comme cela que se comporte une antiparticule (ses propriétés sont opposées à celles de la particule correspondante). Donc une anti-mouette est tout à fait apte à manger une dette de sardine.

Le magicien se débarrasse directement de ses attributs. Pour la carotte, un hamster l’emporte alors qu’une antimouette (représentée ici à l’envers) se satisfait de la dette de sardine. 

 

La seconde possibilité est qu’un anti-âne apporte une anti-carotte qui va faire disparaitre la carotte du magicien et qu’une anti-mouette emporte l’anti-sardine.

 

Exemple dans lequel un anti-ane interagit avec un lapin pour créer un goéland et une anti-mouette.

Dans le monde des particules élémentaires, lors des collisions réalisées dans les accélérateurs ou bien lorsque des rayons cosmiques interagissent dans l’atmosphère, autant de particules que d’antiparticules élémentaires sont créées. Antimatière et matière interviennent donc sur un même plan à l’occasion de ces collisions.  De telles conditions devaient exister au moment du Big-Bang et des quantités similaires de matière et d’antimatière ont été créées. Toute l’antimatière s’est annihilée avec autant de matière. La mesure du rayonnement baignant l’Univers qui en a résulté a permis de vérifier qu’il y avait effectivement des quantités énormes de matière et d’antimatière à ces premiers instants; environ dix milliards de fois plus que la matière actuellement observée. Bien que faible, cet excès de matière, dont l’origine est toujours un mystère, correspond à ce que nous observons dans l’univers.

Vous pouvez remarquer que le magicien, en transmettant simplement la carotte et la dette de sardine a permis de réaliser trois types situations (moyens à la disposition du magicien pour disparaitre). Cette variété est en fait bien plus grande puisque tous les animaux amateurs de carottes et de sardines (et les anti-animaux correspondants) peuvent y participer. Dans le monde des particules il existe des objets qui ont les mêmes propriétés (par exemple aimer les carottes) mais qui sont différents; ils se distinguent par leurs masses mais ont le même comportement vis à vis des interactions. On a pu ainsi regrouper les particules élémentaires en trois familles et trois anti-familles formées des anti-particules correspondantes.

Il convient de noter que, lors des interactions possibles entre particules élémentaires, la grande majorité ne modifie pas la particule de départ.

Le magicien a changé; celui-ci ne sait qu’agir sur les carottes!

Dans cet exemple, ce n’est pas un hasard si un lapin, identique à celui de départ et non pas un hamster ou bien un cochon d’Inde, apparait à la fin de la transformation. Dans le cas où la propriété (la carotte) est inchangée par l’action du magicien c’est l’animal lui-même qui reste le même. Seules les interactions du type carotte-sardine autorisent que l’animal puisse changer. Dans le monde des particules c’est uniquement l’interaction faible transmise par les particules W⁺ ou W^– (et dans certaines conditions) qui permet de tels changements toutes les autres interactions ne modifient pas les particules de départ ou bien conduisent à une particule et à son antiparticule correspondante).

Avec « Quark Clash » nous allons réaliser la cellule de base de l’interaction entre particules élémentaires telle que nous l’avons représentée par le premier dessin en haut de cette page (et le dernier, ci-dessus). Nous verrons ainsi quelles sont les différentes particules qui transmettent les forces et la manière dont elles se manifestent. L’équivalent de la carotte et de la sardine sont représentées par des symboles ou bien des couleurs. Les collisions entre deux particules élémentaires ou bien la désintégration de certaines d’entre-elles peuvent être décrites en associant deux cellules de base comme nous l’avons illustré sur les images 2, 3 et 4.

Les images que nous avons utilisées sont nécessairement incorrectes, assimiler une particule élémentaire à un personnage suppose que l’on néglige l’aspect ondulatoire des particules. L’interaction fait participer les 5 particules élémentaires (par exemple deux particules incidentes, deux particules résultantes et la particule qui transmet la force) dans un volume très petit où l’aspect ondulatoire peut se manifester.

En étudiant les propriétés des différentes particules émises lors de collisions entre différents types de particules incidentes il a été possible de mesurer les caractéristiques des particules élémentaires qui transmettent les forces.

Dans ces exemples nous n’avons considéré que la conservation de certaines propriétés discrètes de la matière (les charges) lors des interactions entre particules élémentaires. D’autres propriétés sont également conservées comme par exemple l’énergie et l’impulsion. Cela peut apporter des contraintes supplémentaires rendant impossibles certaines réactions.