La physique des particules pour les (presque) nuls

Venez visiter le monde de l’infiniment petit, à la frontière Suisse, 100 m sous terre, où des physiciens géniaux utilisent un engin fabuleux, rien moins que le plus coûteux (et le plus complexe) joujou jamais réalisé par l’homme pour valider une théorie : le LHC. Découvrez que l’atome, tel un micro-univers, est peuplé lui-même de particules plus petites encore, étapes supplémentaires sur la route de l’infiniment petit… Enfin vivez, peut-être, la découverte de l’ultime particule, chaînon manquant de toute la physique élémentaire. Avec, par ordre d’apparition : des particules (donc), un gros tunnel, des chercheurs avec cravates qui clignotent, un grand secret révélé, des prix Nobels et bien d’autres figurants… C’est parti ! Vous restez, hein ?

Sommaire

1) La matière c’est du vide !
2) Les accélérateurs : vitesse no limits
3) Un jour au CERN
4) Le petit boson cherche ses parents
5) Mais encore …
6) Si vous n’avez pas trop mal à la tête

1) La matière c’est du vide !

Nous l’avons tous appris à l’école (enfin, normalement), la matière est constituée d’atomes ; ils sont très petits et il y en a vraiment beaucoup : sur ce seul point là « . » il y en a 2 milliards (le temps nous a manqué pour tous les compter, mais on peut faire confiance aux physiciens) !
Le plus étonnant reste à venir : un atome, comme chacun sait, est constitué d’un noyau autour duquel gravitent des électrons. Eh bien ces électrons, ils se situent drôlement loin du noyau (à cette échelle bien sûr) : si un noyau prenait la taille d’une pomme, les électrons se baladeraient sur une orbite grosse comme la terre ! La matière est beaucoup plus vide que l’espace intersidéral (on pourrait dire presque autant que le cerveau d’un candidat de téléréalité mais il ne faut pas aller trop loin dans les comparaisons). C’est un certain Rutherford qui a découvert cela en 1909 et c’est plutôt fortiche.
Mais alors, une question angoissante se pose : si toute matière est faite de vide, pourquoi ne traverse-t-on pas tout ? Les murs, le plancher, le clavier sur lequel est tapé cet article (ce qui serait peu pratique, il faut le dire…) ?
Eh bien parce que (pour faire très simple) les électrons des différents objets se repoussent car leurs charges électriques sont similaires. On appelle cela l’interaction électromagnétique.

Vous êtes toujours là ?

Voici quelques documents pour approfondir.

• Particules élémentaires et cosmologie, de Gilles Cohen-Tannoudji, éd. Le Pommier.
• Des explications supplémentaires sur les particules (site perso)

2) Les accélérateurs : vitesse no limits

Pour connaitre un peu plus ces particules, il n’y a pas 36 solutions : un microscope, si puissant soit-il, serait dérisoire, un peu comme si on voulait compter la dette grecque avec une calculette.
Non, ce qu’il faut, c’est exciter au maximum les particules. Restons calme, il s’agit simplement de leur donner de l’énergie afin de les mettre en mouvement. On fait cela dans des accélérateurs de particule. Ils ne sont pas rares : il y en a environ 15 000 dans le monde, de différentes tailles, de différentes formes, avec des fonctions différentes, les plus connus servant à la recherche fondamentale, mais il y en a aussi en médecine (pour certaines radiothérapies), dans les musées (pour l’étude des œuvres d’art : l’exemple d’AGLAE), sans oublier nos amis militaires (des fois qu’il y aurait moyen de trouver un truc encore plus puissant pour tout faire péter).
A une vitesse proche de celle de la lumière, on peut observer le rayon obtenu et faire des tas d’expériences : faire passer des objets dans le rayon, comme à SOLEIL (et obtenir de super pochettes de disque) ou faire se rentrer dedans des particules excitées, c’est que l’on va voir au chapitre suivant (on a le droit de faire une pause).

Pour en savoir plus :

• Les orfèvres de la lumière, de Marie-Pauline Gacoin
• Un demi-siècle d’accélérateurs de particules, de Pierre Marin
• Casseurs d’atomes : un pas de plus vers le Big Bang (conférence du 16 juin 2004), conférence d’Helenka Przysiezniak
• Un dossier sur le synchrotron SOLEIL

3) Un jour au CERN

Le Grand collisionneur de hadrons, LHC pour les intimes, n’est pas la nouvelle arme développée dans Star Trek, comme son nom pourrait faire le croire, mais juste : la plus grande expérience jamais réalisée par l’homme, afin de mieux comprendre ce qui s’est passé lors de la naissance de l’univers.
C’est donc le plus grand et le plus puissant des accélérateurs de particules du monde : 27 km de circonférence, enfoui entre 50 et 150 m sous terre entre la France et la Suisse. A l’intérieur, on a fait le vide et réfrigéré tout cela à -271 °C, ce qui n’est pas simple à réaliser quand on songe au mal que l’on a tous à maintenir son frigo bien frais. On utilise pour cela des aimants supraconducteurs ; il y en a 1800, disposés tout autour. Ces petites formalités accomplies, on y envoie des particules (protons ou ions) se percuter à une vitesse proche de celle de la lumière : ce qui veut dire qu’à chaque seconde, chaque proton effectue 11 245 tours de manège, un faisceau durant normalement 10 h parcourt ainsi 10 milliards de km, soit un aller/retour Terre-Neptune…
Quatre immenses détecteurs servent aux physiciens pour observer les résultats.
Les données produites par ces expériences sont tellement importantes que si on les mettait sur CD, chaque année, leur pile aurait une hauteur de 20 km… (En passant, c’est ici que fut inventé un certain World Wide Web, afin de permettre aux physiciens du monde entier de communiquer).
De la collision frontale (600 millions par seconde) ressortent des plus petites particules encore, dont peut-être un de ces jours le fameux Boson de Higgs.

• Atlas, le nouveau défi des particules élémentaires, de François Vanucci
• Une animation sur le LHC (en anglais mais comme c’est un dessin animé, on comprend tout)

4) Le petit boson cherche ses parents

Elle en aura fait des misères aux chercheurs, cette toute petite particule. Depuis quatre décennies que l’on cherche à l’intérieur de l’atome, on les a toutes trouvées : quarks, muons, neutrinos, gluons… sauf une, celle qui fait que tout l’ensemble est cohérent, celle qui donne sa masse à toutes les autres. On appelle cette théorie le Modèle Standard de la physique et le boson de Higgs a été surnommé « la particule de Dieu », c’est dire son importance. Selon les physiciens du Cern, sa découverte est imminente… ou non (affirmation typiquement quantique, au passage) : en effet l’énorme puissance du LHC fait que d’ici un an au plus, la matière aura été observée au plus près qu’il est possible de le faire.
Si on ne trouve rien, cela signifie simplement (!) que le Modèle Standard était erroné et qu’il faut en trouver un autre ! Ce qui est loin d’embêter les chercheurs, au contraire ils adorent ça.
Si on trouve le boson par contre, ce sera le paradis pour les chercheurs. Dans un paradis pour chercheurs, il n’y a ni licornes ni fontaines à vin, juste la possibilité de passer à autre chose, vers une théorie encore plus vaste, visant à unifier toutes les lois de la physique… Là-bas tout le monde est sur les dents : ce n’est pas tous les jours que l’on découvre le Graal.

LHC : enquête sur le boson de Higgs

5) Mais encore…

(On arrive presque à la fin, courage…)

Comme si le LHC ne suffisait pas, le CERN a trouvé à occuper l’emploi du temps des quelques 10 000 scientifiques qui y travaillent : citons l’expérience OPERA, visant à envoyer depuis le CERN des neutrinos jusqu’à Gran Sasso en Italie à environ 730 km de distance. Et comme il n’y a pas écrit “la poste”, on les envoie tout simplement à travers la croûte terrestre : ça passe partout un neutrino, ça rentre chez vous sans frapper, un peu comme Garou Garou mais en beaucoup plus petit… Un des buts est de leur faire dépasser la vitesse de la lumière (chose impossible selon Albert Einstein). Aux dernières nouvelles, les chercheurs auraient obtenu des résultats intrigants mais la communauté scientifique qui étudie attentivement les données reste dubitative… Ce vieil Albert (et sa théorie de la relativité) seront-ils définitivement contredits ? Affaire à suivre !
Il y a bien d’autres expériences en cours : production d’antiprotons pour la lutte contre les cellules cancéreuses (ACE), recherche de la matière noire de l’univers (CAST), influence des rayons cosmique sur les nuages (CLOUD) et bien d’autres encore.

6) Si vous n’avez pas trop mal à la tête

Le site du Cern est truffé d’informations de tout niveau.
Il y a même une section pour les enfants : cernland, les adultes peuvent comprendre, c’est dire si c’est bien fait.
On peut aussi se rendre sur place, des expos, des visites sont régulièrement organisées, il y a des accueils de groupe (on a testé et c’est un bon souvenir) : tout est là.

Petite liste bibliographique :

• A tout seigneur tout honneur : le site du CERN
• Le CERN pour les enfants et les grands aussi)
• Un petit film (en français) sur le LHC
• Voyage au coeur de la matière (DVD)

• Physique des particules
• Infini

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