La physique des particules, par Yahel et Théo

Ce mercredi 11 juin, un docteur en physique des particules, ayant travaillé au CERN sur le projet ATLAS, a été invité pour nous présenter les grands principes de son domaine, un voyage passionnant dans l’extrêmement petit.

Le monde particulaire est une science physique fondamentale dont les mécanismes sont très différents des modèles classique ou de la relativité générale : il appartient au domaine quantique. En étudiant les constituants élémentaires, leurs comportements et interactions, son utilité est indéniable : la physique quantique est capable de retracer l’histoire de l’univers lors de son état primordial, ses premiers instants, alors qu’il était encore extrêmement chaud et dense. Ainsi est créée en 1984 le LHC du CERN pour recréer exactement les mêmes conditions.

Contrairement à la relativité restreinte d’Einstein – basée sur l’équivalence masse-énergie (E = m . c²) – la mécanique quantique imagine la matière avec un autre niveau de décomposition au sein des particules subatomiques (nucléons). En effet, les protons et neutrons sont en fait formés de trois quarks, respectivement deux dit “up” et un dit “down” et inversement pour le neutron. Par ailleurs, les électrons forment la famille élémentaire des leptons, avec les muons et les taus. Ces derniers présentent également une version neutre que nous appelons “neutrinos”, émis à l’issue des réactions thermonucléaires au cœur des étoiles et qui ne sont soumis à aucune interaction.

Les interactions fondamentales entre les particules de matière sont régies par les quatre forces fondamentales de l’univers, qui sont chacune causées par des échanges de particules appelées “bosons”. Ces forces sont :

• la force gravitationnelle, c’est à dire l’attraction de deux corps possédant une masse. Elle n’a pas d’origine particulaire mais certaines hypothèses aborderaient la notion de graviton ;
• la force électromagnétique, soit l’attirance ou la répulsion magnétique des particules chargées électroniquement, grâce à l’échange de photons ;
• la force nucléaire forte, qui permet la cohésion des quarks entre eux et des nucléons dans le noyau, par le biais des gluons ;
• et la force nucléaire faible, basée sur la désintégration radioactive des nucléons en rayonnement beta β. Celle-ci se fait sous l’action des bosons – symbolisés par W ou Z – qui modifient le sens du quark.

Toutes ces particules forment le modèle standard, publié en 1964 et démontré expérimentalement en 2012 au LHC. Il se compose des quarks, des leptons, qui constitue la famille des fermions (particules de matière) et les forces. De plus, le boson de Higgs récemment découvert est responsable de donner une masse aux fermions dans un champs de Higgs.

Le CERN, Organisation Européenne dans la Recherche Nucléaire, a financé et créé le Grand Collisionneur d’Hadron (LHC) sous la ville de Genève en Suisse, mis à disposition pour les projets de recherches qui sont aujourd’hui Alice, ATLAS, CMS, LHCb. Avec 27km de tuyau supraconducteur et quatre détecteurs, le LHC a permis de grandes avancées scientifiques tels que la découverte du boson de Higgs.

A la suite de la théorie est venue l’expérimentation en utilisant Atlantis Canvas, un simulateur de détecteur du LHC. Il permet la détection de particules issues d’une collision, en particulier de bosons, à travers l’émission d’électrons et de muons. Une mise en application très ludique et instructive.

Malgré tout, nous ne connaissons que 5% de l’univers et de nombreuses découvertes sont encore à venir. Des projets futurs sont en voie de développement tels que le HL-LHC afin d’améliorer la précision et la recherche.