Physique des particules

 

Le domaine de la physique des particules rassemble les recherches expérimentales visant à faire progresser la connaissance des quarks (les composants des protons et des neutrons), des leptons (tel l’électron gravitant autour du noyau atomique) et de leurs interactions mutuelles. Ces particules sont considérées actuellement comme les constituants les plus élémentaires de la matière.

 

Le Modèle standard

Les avancées parallèles et couplées des observations expérimentales et des progrès théoriques enregistrés depuis les années 60 ont permis l’élaboration de ce qui est appelé le Modèle standard (voir l’introduction).
Bien que ce modèle donne une description très satisfaisante des phénomènes observés dans les expériences, c'est toutefois une théorie incomplète :

• elle ne peut expliquer le pourquoi de l'existence de trois familles ;
• elle ne permet pas de prédire les valeurs observées des masses des particules ;
• elle ne rend compte que de trois de ces quatre interactions fondamentales à l’œuvre dans l’Univers : la gravitation en est en effet exclue ; en revanche, elle a déjà permis d’unifier les interactions électromagnétique et faible en une interaction unique dite électrofaible.

Même s’il n’a jamais été démenti par l’expérience, on sait donc que le Modèle standard n’est pas la théorie ultime. Plusieurs grandes questions se posent, auxquelles il ne peut répondre dans sa forme actuelle :

• Pourquoi les particules ont-elles une masse et pourquoi ont-elles des masses si différentes ?

Une nouvelle particule, le boson de Higgs, recherchée dans le cadre du Modèle standard, pourrait expliquer l’origine des masses et permettre de comprendre leurs différences.

• Comment aller vers une plus grande unification des interactions qui inclurait l’interaction électrofaible et l’interaction forte, et même la gravité ?

Les physiciens pensent en effet que les quatre interactions fondamentales ne seraient que des aspects différents d’une interaction unique. Le concept d’un nouveau monde, faisant intervenir une nouvelle symétrie fondamentale non encore observée, la supersymétrie, qui relierait fermions et bosons, semble très prometteur. Cette théorie est la plus partagée, mais il en existe d’autres dont l’une des plus fascinante prédit que cette unification pourrait déboucher sur la découverte spectaculaire d’un Univers à plus de quatre dimensions, les dimensions supplémentaires étant enroulées sur elles-mêmes !

• Comment expliquer que, depuis son état primordial où coexistaient matière et antimatière, l’Univers ait évolué vers un monde uniquement composé de matière ?

L’étude des violations de symétrie permettra peut-être de résoudre ce mystère.

Ce sont ces grandes questions qui sous-tendent une grande partie des expériences actuelles et futures auprès des grands accélérateurs de particules mondiaux.

 

Au-delà du Modèle standard

Au Cern

Pendant plus de quinze ans et jusqu’à octobre 2000, les expériences ont été faites auprès du LEP, le grand accélérateur électron-positon du Cern. Après avoir fonctionné de 1989 à 1995 à une énergie de 100 GeV, son énergie a progressivement augmenté jusqu’à atteindre plus de 200 GeV la dernière année. Les physiciens de l’IN2P3 ont travaillé dans trois des quatre expériences (Aleph, Delphi et L3). Les mesures de précision extrêmement fines n’ont pas permis de mettre en défaut le Modèle standard. En revanche, les derniers résultats semblent mettre en évidence l’existence d’un boson de Higgs aux environs de 115 GeV.
Ces recherches seront poursuivies auprès du LHC, le grand collisionneur proton-proton qui permettra de gagner un ordre de grandeur en énergie et avec lequel les espoirs sont très grands d’accumuler des connaissances sur ce fameux boson de Higgs et sur les particules supersymétriques. Deux grandes expériences, Atlas et CMS, seront consacrées à cette physique.

À Fermilab

L’accélérateur le plus puissant après le LHC est le Tevatron, un collisionneur proton-antiproton situé à Fermilab près de Chicago, aux États-Unis. Les physiciens de l’IN2P3 sont impliqués dans l’une des expériences, D0, dont les problématiques sont les mêmes que celles d’Atlas et CMS, mais étudiées à une énergie intermédiaire entre celles du LEP et du LHC.

À Desy

Au laboratoire Desy (Deutsch elektron synchrotron) à Hambourg, le collisionneur positon-proton Hera fonctionne depuis 1992, l’expérience H1, à laquelle les laboratoires de l’IN2P3 participe, se consacre principalement à la recherche de phénomènes rares attendus dans plusieurs extensions du Modèle standard, grâce à l’augmentation significative des performances de Hera réalisée en 2001.

 

Violations de symétries et asymétrie matière-antimatière

À chaque particule peut être associée son image dans un miroir (symétrie de parité P) et son antiparticule, de charge électrique opposée (conjugaison de charge C). Depuis plus de quarante ans, on observe la violation de symétrie CP (produit de ces deux symétries), signe d’une différence subtile entre une particule et son antiparticule, sans avoir encore réussi à l’expliquer. Cette violation a une importance considérable, non seulement en physique des particules mais aussi en astrophysique : elle permettrait d’expliquer pourquoi nous vivons dans un monde de matière alors que l’Univers primordial contenait autant d’antimatière que de matière.
Les physiciens de l’IN2P3 participent actuellement à deux expériences sur ce thème :

• À Slac (Stanford linear accelerator center) en Californie où l’expérience Babar mesure l’asymétrie CP dans le système des mésons beaux (particules composées d’un quark et d’un antiquark dont l’un est une particule de beauté).
• Au Cern, à partir de 2007, un détecteur appelé LHCb sera dédié à la physique des mésons beaux auprès du LHC.