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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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5. Les neutrinos
5.1 Propriétés des neutrinos
L’histoire des neutrinos débute en 1914 lorsque Chadwick mesure le spectre en énergie des électrons issus de la désintégration β des noyaux. Dans cette réaction, un noyau (A, Z) se transforme en un noyau (A, Z +1) avec émission d’un électron qui est détecté. Pour ce type de désintégration à deux corps dans l’état final, l’énergie de l’électron devrait avoir une valeur bien déterminée pour satisfaire la loi de conservation de l’énergie. Or le spectre mesuré par Chadwick était continu. Diverses explications furent avancées (dont la non-conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement dans ce type de désintégration) mais sans succès.
L’interprétation correcte fut donnée par W. Pauli en 1930 qui émit l’hypothèse que la désintégration β était en fait une réaction à trois corps dans l’état final, le troisième corps étant électriquement neutre et ne pouvant donc être détecté. En 1932, Chadwick découvre par ailleurs le neutron, mais celui-ci était trop lourd pour pouvoir être ce fameux troisième corps. En 1933, Fermi baptisa cette nouvelle particule neutrino (signifiant « petit neutre ») et l’utilisa dans sa première théorie de l’interaction faible.
Cette particule, qui semblait échapper à toute détection, fut finalement découverte en 1955 par Reines et Cowan auprès du réacteur nucléaire de Savannah River en Caroline du sud, sous la forme d’un antineutrino électronique
(qui est produit en abondance dans les réactions de fission) via la réaction
d’interaction faible par courant chargé. Le neutrino muonique, νµ, fut quant à lui découvert...
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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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