Le Modèle standard de la physique des particules est l’une des plus grandes réussites scientifiques du 20e siècle. Il décrit, avec une précision époustouflante, les briques élémentaires de la matière et les forces qui les relient. Mais derrière cette apparente perfection, les failles sont nombreuses. Le modèle ne dit rien sur la gravité à l’échelle quantique, ne parvient pas à expliquer la matière noire, ignore l’énergie noire, et reste muet sur un mystère fondamental : pourquoi notre univers est composé presque exclusivement de matière et non d’antimatière.

Dans ce contexte, certains physiciens commencent à sérieusement se demander si nous ne sommes pas passés à côté d’une cinquième force fondamentale — un phénomène encore invisible, mais qui pourrait expliquer certaines incohérences persistantes.

Quatre forces… et une suspecte

À l’heure actuelle, l’univers que nous connaissons repose sur quatre forces fondamentales :

• La gravité, qui attire les masses ;

• L’électromagnétisme, responsable de la lumière et de l’électricité ;

• L’interaction forte, qui soude les protons et neutrons dans les noyaux ;

• L’interaction faible, qui intervient dans certaines désintégrations radioactives.

Mais depuis plusieurs décennies, des indices, des anomalies et des résultats expérimentaux un peu étranges remettent cette liste en question. Et récemment, une équipe internationale de chercheurs semble avoir observé quelque chose qui défie les attentes.

Crédit : iStock

Crédits : Swillklitch/istock

Des isotopes de calcium et une anomalie inattendue

Pour traquer cette hypothétique cinquième force, des scientifiques d’Allemagne, de Suisse et d’Australie se sont penchés sur un phénomène bien connu : les transitions atomiques. Lorsqu’un électron autour du noyau d’un atome passe d’un niveau d’énergie à un autre, il libère ou absorbe une quantité d’énergie bien précise, mesurable avec une grande précision. Cette énergie dépend légèrement de la structure du noyau, et donc du nombre de neutrons, ce qui permet de comparer les résultats entre différents isotopes d’un même élément.

Les chercheurs ont ainsi étudié les isotopes du calcium (Ca-40, Ca-42, Ca-44, Ca-46 et Ca-48), en traquant les variations infimes de leurs transitions atomiques. Ils ont ensuite représenté ces données sur un outil mathématique appelé diagramme de King, qui, selon le Modèle standard, devrait suivre une courbe linéaire.

Mais surprise : le diagramme n’était pas parfaitement droit. Cette non-linéarité pourrait être le signe d’une nouvelle interaction entre les électrons et les neutrons — autrement dit, une cinquième force.

Une nouvelle particule en ligne de mire

Bien sûr, les scientifiques ne sautent pas tout de suite à la conclusion révolutionnaire. Il est possible que cette anomalie soit due à des effets subtils mais connus dans le Modèle standard, comme certaines corrélations nucléaires encore mal modélisées. Néanmoins, les chercheurs en ont profité pour fixer une limite supérieure à la masse que pourrait avoir une hypothétique particule responsable de cette cinquième force : entre 10 et 10 millions d’électronvolts.

Cela reste purement spéculatif, mais ce genre d’estimation est crucial pour orienter les futures expériences. En physique des particules, poser des contraintes est presque aussi important que de faire des découvertes.

D’autres indices ailleurs dans l’Univers ?

Cette idée d’une cinquième force ne date pas d’hier. Dans les années 1980, certains chercheurs du MIT pensaient qu’elle pourrait se manifester sous la forme d’une antigravité. Plus récemment, l’expérience muon g-2 menée au Fermilab (États-Unis) a brièvement semé le doute en détectant une anomalie dans le comportement du muon. Hélas (ou heureusement pour la rigueur scientifique), les derniers résultats ont confirmé le Modèle standard… pour l’instant.

Des approches plus originales émergent également. En 2023, une équipe du Laboratoire national de Los Alamos a proposé d’analyser les orbites des astéroïdes. Si elles présentaient des écarts inexpliqués, cela pourrait révéler l’influence d’une force encore inconnue à grande échelle. Rien de probant n’a encore été trouvé, mais la chasse est ouverte.

Un monde à repenser ?

Découvrir une cinquième force ne serait pas simplement ajouter une nouvelle ligne dans un manuel de physique. Ce serait réécrire les fondations mêmes de notre compréhension de l’univers. Cela ouvrirait potentiellement la voie à une physique au-delà du Modèle standard, peut-être en lien avec la matière noire, ou avec les toutes premières secondes après le Big Bang.

Pour l’instant, les résultats restent prudents, et les chercheurs eux-mêmes le rappellent : ces anomalies pourraient être le fruit d’effets que nous comprenons mal, sans rien de fondamentalement nouveau.

Mais comme souvent en science, c’est en creusant les anomalies que l’on fait les plus grandes découvertes. Et peut-être qu’un jour, nous ajouterons une cinquième force à la liste des piliers de l’univers.

L’étude est publiée dans les Physical Review Letters.