Particules élémentaires : comment les accélérateurs dévoilent l’invisible ?

Le modèle standard : notre bestiaire fondamental

Le **Modèle Standard** est une théorie qui décrit les 12 fermions fondamentaux (quarks et leptons) et les 4 bosons fondamentaux (photon, gluons, bosons W et Z, et le boson de Higgs). Ces **particules** interagissent via les quatre forces fondamentales : la force forte, la force faible, la force électromagnétique et la force gravitationnelle (bien que cette dernière ne soit pas encore intégrée au **Modèle Standard**). Chaque **particule** possède des propriétés uniques telles que sa masse, sa charge électrique et son spin. La précision des mesures de ces propriétés est cruciale pour tester la validité du **Modèle Standard**.

• Les quarks sont les constituants fondamentaux des hadrons, tels que les protons et les neutrons. Il existe six types de quarks : up, down, charm, strange, top et bottom. La **découverte des quarks lourds** a été une étape importante dans le développement du **Modèle Standard**.
• Les leptons comprennent l’électron, le muon, le tau, et leurs neutrinos associés. Les neutrinos sont des **particules** presque sans masse qui interagissent très faiblement avec la matière. L’étude des **oscillations de neutrinos** a révélé qu’ils ont une masse non nulle, ce qui est en contradiction avec la version originale du **Modèle Standard**.
• Le photon est le boson médiateur de la force électromagnétique, responsable des interactions entre les **particules** chargées. La **théorie de l’électrodynamique quantique (QED)**, qui décrit l’interaction entre la lumière et la matière, est l’une des théories les plus précises de la physique.

Considérez les quarks comme les briques de Lego qui constituent les protons et les neutrons. Les bosons, quant à eux, sont comme la colle qui maintient ces briques ensemble, transmettant les forces entre les **particules**. Le boson de Higgs est particulier car il confère leur masse aux autres **particules**. Les **accélérateurs de particules** ont permis de mesurer la masse du boson de Higgs avec une grande précision.

La masse du quark top, par exemple, est d’environ 173 GeV (Gigaelectronvolts), soit environ 185 fois la masse du proton. L’électron, quant à lui, a une masse d’environ 0.511 MeV (Mégaelectronvolts). Le boson de Higgs a une masse d’environ 125 GeV. La charge électrique de l’électron est de -1, tandis que celle du proton est de +1. Le spin de toutes ces **particules élémentaires** est un multiple de 1/2.

Au-delà du modèle standard : les mystères persistants

Malgré son succès, le **Modèle Standard** présente des limites importantes. Il ne peut pas expliquer l’existence de la **matière noire** et de l’énergie noire, qui constituent environ 95% de l’univers. Il ne rend pas compte non plus de la masse des neutrinos, de l’asymétrie matière-antimatière observée dans l’univers, ni de l’absence de gravité dans sa description. Ces lacunes motivent la recherche de **nouvelles particules** et de nouvelles théories de la **physique des particules**.

• La **matière noire** est une forme de matière qui n’interagit pas avec la lumière et ne peut donc pas être observée directement. Son existence est déduite de ses effets gravitationnels sur la matière visible. L’un des principaux objectifs des **accélérateurs de particules** est de créer et de détecter des **particules** de **matière noire**.
• L’énergie noire est une forme d’énergie qui provoque l’expansion accélérée de l’univers. Sa nature est encore inconnue. L’étude de l’énergie noire est un domaine actif de la cosmologie.
• L’asymétrie matière-antimatière fait référence au fait qu’il y a beaucoup plus de matière que d’antimatière dans l’univers, alors que le **Modèle Standard** prédit qu’elles devraient être produites en quantités égales. Ce déséquilibre suggère l’existence de processus physiques inconnus.

Les physiciens explorent des théories au-delà du **Modèle Standard** pour tenter de résoudre ces énigmes. Parmi ces théories, on trouve la supersymétrie, qui prédit l’existence de **particules** partenaires pour chaque **particule** du **Modèle Standard**, et les théories des dimensions supplémentaires, qui postulent que l’univers pourrait avoir plus de trois dimensions spatiales. La vérification expérimentale de ces théories nécessite des **accélérateurs de particules** de plus en plus puissants.

Les **accélérateurs de particules** jouent un rôle crucial dans la recherche de preuves de ces nouvelles théories. En faisant entrer en collision des **particules** à des énergies de plus en plus élevées, les physiciens espèrent créer de **nouvelles particules** et observer des phénomènes qui ne peuvent pas être expliqués par le **Modèle Standard**. Par exemple, la théorie de la supersymétrie prédit l’existence de **particules** dont la masse se situe dans une gamme accessible par le LHC. Le LHC est actuellement le plus grand et le plus puissant **accélérateur de particules** au monde.

Principes fondamentaux : accélérer et faire collisionner

Les **accélérateurs** utilisent des champs électriques pour accélérer les **particules** chargées et des champs magnétiques pour les guider sur une trajectoire définie. Plus l’énergie des **particules** est élevée, plus les champs magnétiques nécessaires pour les maintenir sur leur trajectoire doivent être intenses. C’est pourquoi les **accélérateurs** modernes utilisent des aimants supraconducteurs, capables de générer des champs magnétiques très puissants. La supraconductivité permet d’atteindre des performances optimales dans les **accélérateurs de particules**.

• Les champs électriques accélèrent les **particules** en leur appliquant une force dans la direction de leur mouvement. La tension appliquée peut atteindre des millions de volts.
• Les champs magnétiques courbent la trajectoire des **particules**, les maintenant sur une trajectoire circulaire ou spirale. Ces champs magnétiques sont mesurés en Tesla.
• Les aimants supraconducteurs permettent d’atteindre des champs magnétiques plus intenses, ce qui permet d’accélérer les **particules** à des énergies plus élevées. Le LHC utilise plus de 1200 aimants supraconducteurs.

L’énergie cinétique d’une **particule** accélérée dans un **accélérateur** peut atteindre des valeurs considérables. Au LHC, par exemple, les protons sont accélérés jusqu’à une énergie de 6.5 TeV (Teraelectronvolts), soit environ 7000 fois leur masse au repos. Cette énergie permet de créer de **nouvelles particules** lors des collisions, conformément à la célèbre équation E=mc² d’Einstein. Plus l’énergie de la collision est élevée, plus la probabilité de créer des **particules** massives est grande.

Un proton, au repos, a une énergie d’environ 938 MeV. Au LHC, son énergie est augmentée d’un facteur 7000. Un accélérateur typique utilise des radiofréquences de 400 MHz pour accélérer les particules.

Types d’accélérateurs : du linac au collisionneur

Il existe différents types d’**accélérateurs**, chacun ayant ses propres avantages et inconvénients. Les **accélérateurs linéaires** (LINAC) accélèrent les **particules** en ligne droite, tandis que les **accélérateurs circulaires** (synchrotrons) les font circuler sur une trajectoire circulaire. Les collisionneurs font entrer en collision deux faisceaux de **particules**, augmentant ainsi l’énergie disponible pour la création de **nouvelles particules**. Le choix du type d’**accélérateur** dépend des objectifs spécifiques de l’expérience.

• Les **accélérateurs linéaires** sont simples à construire et à utiliser, mais ils sont limités en termes d’énergie maximale qu’ils peuvent atteindre. Ils sont souvent utilisés comme injecteurs pour les **accélérateurs circulaires**. Le plus long **accélérateur linéaire** au monde est le SLAC, en Californie, qui mesure 3 kilomètres de long.
• Les **accélérateurs circulaires** permettent d’atteindre des énergies beaucoup plus élevées que les **accélérateurs linéaires**, mais ils sont plus complexes à construire et à utiliser. Ils nécessitent l’utilisation d’aimants pour courber la trajectoire des **particules**.
• Les collisionneurs peuvent être hadroniques (protons-protons) ou leptoniques (électrons-positrons), chacun ayant ses propres avantages en termes de résolution et de taux d’événements. Les collisionneurs hadroniques permettent d’atteindre des énergies plus élevées, tandis que les collisionneurs leptoniques offrent une meilleure résolution.

Le LHC, par exemple, est un collisionneur hadronique qui fait entrer en collision des protons à des énergies de 13 TeV. L’ILC, en revanche, est un projet de collisionneur leptonique qui ferait entrer en collision des électrons et des positrons à des énergies de 500 GeV à 1 TeV. Un LINAC peut mesurer quelques mètres à plusieurs kilomètres de long. Le LHC, lui, a une circonférence de 27 kilomètres. Le Tevatron, situé au Fermilab, était un ancien collisionneur hadronique qui a joué un rôle important dans la **découverte du quark top**.

Les détecteurs : photographier l’invisible

Les **détecteurs de particules** sont des instruments sophistiqués qui enregistrent les produits des collisions dans les **accélérateurs**. Ils sont conçus pour identifier les différentes **particules** produites, mesurer leur énergie et leur impulsion, et reconstruire l’événement de collision. La combinaison de différents types de **détecteurs** permet d’obtenir une image complète de l’événement. La conception et la construction des **détecteurs de particules** sont des défis techniques majeurs.

• Les traceurs mesurent la trajectoire des **particules** chargées en utilisant des capteurs de position de haute précision. Ils sont souvent basés sur des chambres à fils ou des détecteurs à silicium.
• Les calorimètres mesurent l’énergie des **particules** en les absorbant et en mesurant la quantité de chaleur produite. Ils peuvent être électromagnétiques (pour les photons et les électrons) ou hadroniques (pour les hadrons).
• Les spectromètres à muons identifient les muons en utilisant des aimants pour courber leur trajectoire et mesurer leur impulsion. Les muons sont des **particules** chargées qui interagissent faiblement avec la matière.

Le principe de fonctionnement de ces **détecteurs** repose sur différents phénomènes physiques. Les traceurs utilisent souvent l’ionisation des gaz ou des semi-conducteurs pour détecter le passage des **particules** chargées. Les calorimètres utilisent la scintillation (émission de lumière) ou l’effet Tcherenkov (émission de lumière par une **particule** se déplaçant plus vite que la lumière dans un milieu) pour mesurer l’énergie des **particules**. La résolution et l’efficacité des **détecteurs** sont des paramètres importants pour les expériences de **physique des particules**.

L’un des plus grands **détecteurs** au monde, CMS (Compact Muon Solenoid) au LHC, pèse environ 14 000 tonnes et mesure 21 mètres de long sur 15 mètres de large et 15 mètres de haut. Le **détecteur** ATLAS, également au LHC, est encore plus grand. Ces **détecteurs** sont des merveilles d’ingénierie.

Confirmation du modèle standard : une suite de succès

Les **accélérateurs** ont permis la **découverte des quarks lourds** (charm, bottom, top), des bosons W et Z, et du boson de Higgs. Ces découvertes ont confirmé les prédictions du **Modèle Standard** et ont renforcé notre compréhension des constituants fondamentaux de la matière et des forces qui les régissent. Ces découvertes ont nécessité des **accélérateurs de particules** de plus en plus performants.

• La **découverte des quarks lourds** a complété le tableau des fermions fondamentaux du **Modèle Standard**. Le quark top, en particulier, est l’une des **particules élémentaires** les plus massives connues.
• La **découverte des bosons W et Z** a confirmé la théorie de l’interaction faible. Ces bosons sont les médiateurs de la force faible, responsable de la désintégration radioactive.
• La **découverte du boson de Higgs** a confirmé le mécanisme de Higgs, qui explique l’origine de la masse des **particules**. Le boson de Higgs est la **particule élémentaire** associée au champ de Higgs.

La **découverte du boson de Higgs** au LHC en 2012 a été une étape cruciale dans la validation du **Modèle Standard**. Cette **particule** est la manifestation du champ de Higgs, qui imprègne tout l’espace et confère leur masse aux autres **particules élémentaires**. La masse du boson de Higgs est d’environ 125 GeV, une valeur qui avait été prédite par le **Modèle Standard**. La **découverte du boson de Higgs** a valu le prix Nobel de physique à Peter Higgs et François Englert.

Ouverture de nouvelles fenêtres sur l’univers : au-delà du standard

Les **accélérateurs** sont utilisés pour rechercher des **particules de matière noire**, tester la supersymétrie, mesurer les propriétés des **particules** connues avec une précision accrue, et rechercher des violations de la symétrie CP qui pourraient expliquer l’asymétrie matière-antimatière dans l’univers. Ces recherches pourraient ouvrir de nouvelles perspectives sur la nature de l’univers et les lois qui le régissent. La **recherche de matière noire** est l’un des principaux défis de la **physique des particules**.

• La **recherche de matière noire** vise à identifier les **particules** qui constituent cette forme de matière invisible. Plusieurs candidats sont envisagés, tels que les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) et les axions.
• La recherche de supersymétrie vise à découvrir les **particules** partenaires des **particules** du **Modèle Standard**. La supersymétrie pourrait résoudre certains problèmes du **Modèle Standard**, tels que la stabilité de la masse du boson de Higgs.
• La mesure précise des propriétés des **particules** connues permet de tester les prédictions du **Modèle Standard** avec une précision accrue. Toute déviation par rapport aux prédictions du **Modèle Standard** pourrait signaler l’existence de nouvelle physique.

Les physiciens recherchent des « signaux » spécifiques dans les données des **accélérateurs** qui pourraient indiquer la présence de **nouvelles particules** ou phénomènes. Par exemple, la **recherche de matière noire** peut impliquer la recherche de **particules** qui interagissent très faiblement avec la matière ordinaire et qui laisseraient une signature spécifique dans les **détecteurs**. Ces signatures peuvent être difficiles à distinguer du bruit de fond.

Lors de la **découverte du boson de Higgs**, les physiciens ont recherché un excès d’événements dans certains canaux de désintégration spécifiques, comme la désintégration en deux photons ou en quatre leptons. Ces excès d’événements ont été interprétés comme la signature de la présence du boson de Higgs. L’analyse des données du LHC est un processus complexe qui nécessite des algorithmes sophistiqués.

Les oscillations des neutrinos, phénomène observé pour la première fois à la fin du 20ème siècle, posent un réel défi au modèle standard. En effet, ce phénomène implique que les neutrinos ont une masse, ce que le modèle standard d’origine ne prévoyait pas.

Les accélérateurs : bien plus que de la physique fondamentale

Au-delà de leur contribution à la **physique fondamentale**, les **accélérateurs de particules** ont des retombées technologiques significatives dans d’autres domaines tels que l’imagerie médicale, la science des matériaux et l’industrie. Ces retombées démontrent l’importance de la recherche fondamentale pour le progrès scientifique et technologique. Les **accélérateurs** sont des outils polyvalents qui ont un impact sur de nombreux aspects de notre société.