Chercheurs en quoi ?!?

17.11.2014 | par Nathalie Besson | Non classé

En physique des particules ! Mais c’est quoi ?

En toute simplicité, c’est essayer de comprendre le fonctionnement de l’Univers, rien que ça, au niveau de ses constituants fondamentaux. Pour cela des modèles ou théories sont développés et testés en confrontant les résultats de calculs issus de ces modèles avec les valeurs mesurées expérimentalement. Après des dizaines d’années d’aller-retour entre théorie et expérience on dispose de ce qu’on appelle le modèle standard de la physique des particules qui explique tout ce qu’on connaît avec seulement :

  • 12 particules de matière (et leurs antiparticules),
  • 12 particules portant les forces
  • et le fameux boson de Higgs dont nous ne manquerons pas de parler dans ce blog !

Simple, direz-vous : 25 particules élémentaires dont les propagations et interactions tiennent dans une unique équation. Il est encore plus surprenant qu’avec seulement 3 d’entre elles, il est possible de construire tous les objets qui nous entourent, des amibes aux étoiles. Toutes les autres particules élémentaires ont été révélées dans  des expériences de laboratoire, au cours d'une histoire riche en progrès, en développements techniques et théoriques se nourrissant les uns des autres, en travail d'équipe acharné et enthousiaste.

C’est la grande diversité des propriétés des particules qui rend le jeu complexe. Une particule, élémentaire ou non, est décrite par des nombres quantiques. Certains bien connus dès le collège comme la charge électrique, ou la masse, d’autres moins intuitifs comme le spin, la saveur… Ces nombres quantiques définissent la manière dont chaque particule interagit avec les autres, dont elle est produite ou dont on peut la détecter. Et cela donne une « zoologie » extrêmement variée : les masses des particules élémentaires s’échelonnent sur 12 ordre de grandeur (de l’ordre de 0,1 à 1011 eV/c²), leurs charges électriques peuvent être nulle ou plus ou moins l’unité, ce dont on a l’habitude, mais aussi fractionnaires (plus ou moins un ou deux tiers pour les quarks) ! De même les forces auxquelles elles sont sensibles, leurs probabilités de production ou d’interaction, les énergies auxquelles elles sont produites par la Nature ou par les physiciens sont très différentes.

Nous aborderons donc dans ce blog la physique des particules avec trois regards : ceux de la « collisionneuse », du « neutriniste » et de l’ « astroparticuliste » (ces néologismes sont des inventions pures, ne cherchez pas dans le dictionnaire).

La physique des hautes énergies auprès des collisionneurs teste le modèle standard en mesurant le plus précisément possible ses paramètres pour comparer les résultats aux valeurs prédites, et des modèles alternatifs en cherchant  de nouvelles particules. Il s’agit donc d’explorer des domaines d’énergies et de probabilités toujours plus extrêmes. Les particules étudiées ou cherchées étant, dans leur grande majorité, instables et se désintégrant en particules plus légères sitôt créées, on les produit pour les étudier. Pour cela, on utilise des collisionneurs : deux faisceaux de particules accélérées à haute énergie entrent en collision en un point autour duquel un détecteur identifie et mesure les particules produites ou leurs produits de désintégration. Plus les particules cherchées sont massives, plus l’énergie disponible dans la collision doit être élevée. Plus les processus étudiés sont rares, plus le taux de collisions doit être grand. Les accélérateurs et les détecteurs de ce domaine sont conçus en conséquence, ce qui donne des machines étonnantes comme le LHC et les détecteurs Atlas et CMS, par exemple.

Parmi les particules élémentaires du modèle standard, les neutrinos sont les plus déroutants. Parce qu’ils échappent aux collisionneurs, tout un pan de la recherche en physique des particules leur est consacré, avec des moyens d’étude variés allant par exemple de l’utilisation de centrales nucléaires à la construction de gigantesques piscines bardées d’instruments et de capteurs. Mais pourquoi autant d’efforts, me direz-vous, pour essayer d’attraper ces particules fantomatiques qui n’interagissent que très peu avec la matière? Et bien parce que d’une part les neutrinos représentent une fenêtre d’ouverture sur de la nouvelle physique au-delà du modèle standard, et d’autre part ceux-ci pourraient bien apporter des réponses essentielles à certains questionnements que se posent les physiciens: comment était l’univers à son commencement, près de 13,7 milliards d’années auparavant? Pourquoi l’univers est-il aujourd’hui fait de matière et non d’antimatière? Les neutrinos ont-ils un lien avec la matière noire?

Enfin certains chercheurs en physique des particules développent une stratégie alternative, consistant à utiliser les réservoirs naturels d'énergie en lieu et place des collisionneurs ou autres machines construites sur Terre. Les conditions expérimentales sont alors très peu contrôlées et parfois incertaines, mais c'est là le prix à payer pour atteindre des énergies, densités ou distances de propagation inatteignables sur le plancher des vaches! Certains environnements astrophysiques comme les étoiles, les environnements de trous noirs ou les premières phases du big bang deviennent alors des laboratoires pour la physique des hautes énergies. Les sujets abordés par cette discipline des "astroparticules" gravitent autour de l'identification de la matière noire, l'origine de l'accélération des rayons cosmiques --ces particules qui atteignent la planète bleue depuis l'espace--, ou la compréhension en termes de physique microscopique des phénomènes à grande échelle dans notre univers. Par exemple, un grand sujet d'étude de cette sous-discipline s'attache à chercher à identifier la nature de la matière noire de l'univers, constituant 84% de sa masse.

The most exciting phrase to hear in science, the one that heralds new discoveries, is not 'Eureka!' but 'That's funny...'

Isaac Asimov


13 commentaires pour “Chercheurs en quoi ?!?”

  1. patricedusud Répondre | Permalink

    ET quelques fois, au détour d'un long périple, le chercheur devient un trouveur et la vision du monde peut s'en trouver changé....

  2. Quark Répondre | Permalink

    Bonjour Mde Besson et merci d'inaugurer cette section restée vide trop longtemps -enfin relativement vide, il devait bien y trainer quelques particules- !
    Je ne pense pas que cela soit à proprement parler un champ de la physique des particules (no pun intended) mais comptez-vous aborder le sujet des particules dites "virtuelles", artefact (ou pas ?) de la physique quantique des champs ? Ce sont des particules bien particulières pour le coup !

    Bonne continuation !

    • david statucki Répondre | Permalink

      Pour un "Quark" qui se revendique pour son avatar, c'est le cas de le dire, une particule qui traîne, une particule infime dotée du pouvoir de l'écriture en plus, donc bien particulière ici aussi, vive la science et ce blog !!! et Pardon nous sommes il est vrai, tous composés de particules bien sûr.
      Sans préjuger du sérieux de ce billet très intéressant pour le détail du programme à venir, Merci Madame Besson par avance et mes excuses pour ce trait de dérision mais je n'ai pu m'empêcher, encore merci à "Quark" pour ce petit moment mais un "Quark" de quelle génération telle est la question aussi.

      Amicalement

  3. Quark Répondre | Permalink

    Vous pouvez me considérer comme un quark Strange =)
    Par ailleurs, de par le confinement des quark, je recherche activement un quark charmant ..;! Vous imaginez bien que ma charge électrique incomplète est un peu déstabilisant pour le modèle standard de la physique, je ne voudrais pas fâcher un(e) physicien(e), donc le plus tôt serait le mieux... Je vous laisse le choix de la couleur !

    Merci David, j'ai trouvé ma prochaine phrase d'accroche : "Toi et moi nous sommes comme des quark dans la vie : inséparables".

    D'accord, on va essayer de rester sérieux !

  4. JLM Répondre | Permalink

    Non mais allo quark !
    Il y en a certains qui trouvent en restant sur le plancher des vaches ,sans aller dans l'Univers .
    http://www.ouvertures.net/luc-montagnier-retrouve-memoire-eau/
    Auquel je rajouterai mon grain de sel:
    Dans le corps humain qui contient 80% d'eau,quelle est l'influence de la pompe Na-K (sodium-potassium) sur le dipôle de l'eau ?.On reste dans la physique naturellement,mais il y a probablement des interactions avec la biochimie.
    Une autre question,on évoque souvent les astrophysiciens,mais y a-t-il des astrochimistes ?

  5. JLM Répondre | Permalink

    Et quand certains trouvent ...comme Roger Coudert et non Couderc !
    Par exemple:
    http://perso.numericable.fr/~rcoudert/
    A-t-on repris ses travaux ?
    Allez les petits !
    PS:j'ai envoyé ce lien à la SFP (société française de physique) ,éclectique ,intéressant.apparemment hors du sérail et du politiquement correct.

  6. Paul Répondre | Permalink

    <>
    Dans cette ligne de pensée, une petite suggestion:
    Voir les informations dans cet ouvrage: '' Luminance '' par Olivia Boa aux Éditions Ariane inc.
    Voir ce lien chez l'éditeur:
    http://editions-ariane.com/products-page/catalogue-items/luminance/
    L'information contenue dans cet ouvrage va créer une véritable révolution dans la compréhension que nous avons des constituants fondamentaux de la '' matière '' et de leur fonctionnement... Une ouverture vers des champs de recherche absolument névralgiques pour l'évolution de notre Humanité... Bonne lecture et bonne réflexion. 🙂

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