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RÉSUMÉ
La physique des particules s’attache à étudier l’infiniment petit, la structure ultime de la matière. Des microscopes très performants sont ainsi utilisés et permettent d’observer l’objet à l’aide d’un faisceau d’énergie. Dans le cadre d’expérimentations de cette physique des hautes énergies, ce sont des microscopes accélérateurs de particules qui sondent des objets dont la taille est inférieure au fermi. Cet article propose les résultats récents de ces expérimentations en physique des particules. Après un rappel des principes de base, le paradigme actuel de l’Univers, les neutrinos ou encore le plasma de quarks et de gluons sont abordés.
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Particle physics is dedicated to the study of the infinitely small, the ultimate structure of matter. High-performance microscopes enable the observation of the object using a beam of energy. Within the framework of high-energy physics experimentations, particle accelerator microscopes study objects whose size is of less than the Fermi. This article presents the recent results of these experimentations in particle physics. After an overview on basic principles, the current paradigm of the Universe, neutrinos as well as quark and gluon plasma are dealt with.
Auteur(s)
-
Jean-Claude MONTRET : Professeurs des universités Laboratoire de physique corpusculaire Université Blaise-Pascal (Clermont II) – IN2P3/CNRS
INTRODUCTION
Le but de la physique des particules est d’étudier la structure ultime de la matière. C’est donc une physique de l’infiniment petit et, d’un point de vue expérimental, une physique des hautes énergies.
Les microscopes utilisés dans ce cadre sont les accélérateurs de particules qui produisent des faisceaux de plusieurs centaines de GeV [au LEP (Large Electron Positron), entre 1989 et 2000], voire d’une dizaine de TeV [à partir de 2007 avec le LHC (Large Hadron Collider)] permettant ainsi d’étudier des objets dont la taille est inférieure au fermi et donc de sonder, par exemple, la structure d’un proton. Néanmoins, les techniques d’accélération actuelles ne permettent d’augmenter l’énergie d’un électron que de 20 à 30 MeV environ sur une distance de 1 m. Pour porter un électron, initialement produit au repos, à plus de 100 GeV, il faut donc des accélérateurs (linéaires ou circulaires) gigantesques. La physique des particules est également une physique des très grands instruments (TGI).
Pour l’ensemble de cette partie expérimentale, le lecteur pourra se reporter en premier lieu au dossier Particules élémentaires et interactions fondamentales qui traite d’une manière théorique « les particules élémentaires et les interactions fondamentales ». Il pourra aussi consulter les ouvrages donnés dans les références accessibles aux étudiants, ainsi que les sites web du CERN (Organisation européenne pour la recherche nucléaire) et de L’IN2P3 (Institut national de physique nucléaire et physique des particules) pour suivre les évolutions et s’informer des résultats les plus récents.
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Paradigme actuel de l’Univers
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3. Exemple d’accélérateur en physique des particules : le LEP
Comme cela a été dit précédemment, l’unification des interactions électromagnétique et faible nécessite la création de particules de masse d’environ 90 GeV/c2 : les bosons W ± et Z 0. Dans le cadre de la théorie électrofaible, une paire électron-positron peut non seulement s’annihiler en un photon, via l’interaction électromagnétique, mais également en un boson neutre Z 0 via l’interaction faible. En particulier, si l’énergie de la paire e+e− est de l’ordre de grandeur de la masse du Z 0, les deux modes sont d’intensité comparable. Ainsi, en dirigeant face à face un électron et un positron ayant chacun une énergie de 45,6 GeV, leur annihilation par collision frontale conduit à la création de bosons Z 0 environ une fois sur deux. C’est ce qui est réalisé dans le plus grand accélérateur jamais construit au monde, le LEP (Large Electron Positron Collider) au Centre Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN) situé près de Genève. Cet immense collisionneur est installé dans un tunnel circulaire de 27 km de long pour une section droite de 3,8 m de diamètre. Il est enterré entre 50 et 170 m de profondeur dans le pays de Gex, entre le lac Léman et les monts du Jura.
Les dimensions du LEP sont directement conditionnées par la nature des particules accélérées, électrons et positrons, ainsi que par l’énergie que l’on souhaite leur communiquer. En effet, selon les équations de Maxwell, toute particule chargée qui est accélérée perd une partie de son énergie par rayonnement synchrotron (émission de photons), et cette perte est d’autant plus importante que la masse de la particule est petite. Ainsi, les électrons et positrons, particules très légères, perdent une fraction importante de leur énergie dans les aimants de déviation nécessaires à la courbure de leur trajectoire. Le rayon de cette dernière doit alors être optimisé pour permettre d’atteindre l’énergie souhaitée, d’où la dimension de l’anneau.
Cet accélérateur a fonctionné entre 1989 et 1995 à une énergie de 91,2 GeV (période dite LEP1) puis, jusqu’en 2000, à des énergies de près de 200 GeV (période dite LEP2). Durant la phase LEP1, plus de 16 millions de...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ZITOUN (R.) - Introduction à la physique des particules - . Dunod (2004).
-
(2) - * - Encyclopedia Universalis : dictionnaire de la physique « Atomes et particules ».
-
(3) - CERN - * - Site Internet grand public : http://public.web.cern.ch/Public/Welcome-fr.html
-
(4) - IN2P3 - * - Site Internet de l’Institut national de physique nucléaire et physique des particules : http://www.in2p3.fr/page/communication/communicationf.htm
-
(5) - TONRY, al - * - Astro. J. Lett. 594, 1 (2003).
-
(6) - LANGACKER (P.) - Neutrino physics (theory) - . Exposé donné lors de la conférence « Lepton-Photon 2005 ».
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