PARTICULES ÉLÉMENTAIRESCaractères généraux

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Les moyens de recherche

Il s'agit d'accélérer les particules élémentaires (électrons, protons) à des énergies de plus en plus élevées. Les développements technologiques permettent de construire des accélérateurs de plus en plus puissants dans des limites budgétaires acceptables. On est ainsi passé ainsi de 100 MeV (1950) à plusieurs dizaines de gigaélectronvolts (1975) et à la dizaine de téraélectronvolts en 2007.

Cela demande une grosse concentration de moyens, donc un tout petit nombre de gros laboratoires offrant des faisceaux de particules accélérées à un grand nombre d'utilisateurs extérieurs. La physique des particules demande aussi des collaborations importantes pour réaliser les détecteurs permettant d'analyser les collisions de haute énergie.

En Europe, de tels besoins impliquent une internationalisation des moyens de recherche, centrée sur le Cern, et à une moindre mesure sur Desy dont le statut national s'accompagne d'une forte participation internationale.

Les accélérateurs

Après les premiers accélérateurs électrostatiques, puis le développement des cyclotrons et des synchrotrons, la physique des particules a beaucoup profité de la mise au point des collisionneurs de particules, que ce soit des électrons ou des protons. Le Cern a fait œuvre de pionnier, en 1971, avec les I.S.R. (Intersection Storage Rings), où deux protons se heurtaient de plein fouet, puis avec l'accélération simultanée de protons et d'antiprotons dans le S.p.p̄.S. (anciennement S.P.S., Super Proton Synchrotron), en 1981. C'est grâce à cet outil que le W et le Z ont pu être découverts, car il fallait une énergie de l'ordre de 600 GeV dans la collision proton-antiproton pour obtenir la centaine de gigaélectronvolts nécessaire à une collision quark-antiquark pour la formation du W (81 GeV) et du Z (91 GeV). Le prix Nobel 1984 fut décerné à Carlo Rubbia et à Simon Van der Meer pour cette découverte. Le nombre de particules par faisceau dans les collisionneurs est cependant typiquement cent milliards de fois plus faible que le nombre d'Avogadro, qui donne l'échelle pour le nombre de particules disponibles dans une cible ; donc un faisceau d'accélérateur est déjà du vide. Il faut alors compenser la rareté relative des événements par des détecteurs très performants. La photo montre l'ensemble des installations du Cern à Genève. On y distingue le synchrotron à protons P.S. (Proton Synchrotron) achevé en 1960. Avec ses 200 m de diamètre, il permet d'accélérer des protons jusqu'à 28 GeV. On y voit aussi le superproton synchrotron (S.P.S.), achevé en 1976 ; il a 2,2 km de diamètre et accélère des protons jusqu'à 450 GeV ; c'est lui aussi qui accélère simultanément protons et antiprotons et maintient les deux faisceaux en circulation, protons et antiprotons se heurtant sans cesse de plein fouet. On y distingue enfin le L.E.P. (Large Electron Positron Collider) et le L.H.C. qui le remplace depuis 2008, le plus grand accélérateur actuel du monde, avec ses 27 kilomètres de circonférence. Le S.P.S., le L.E.P. et le L.H.C. circulent sous terre dans des tunnels creusés dans une roche dure et stable sous-jacente. Ils. ont permis à la physique des particules européenne de disputer la place de leader que les États-Unis avaient acquise après la Seconde Guerre mondiale. Après une phase où une intense compétition internationale et divers autres facteurs historiques et économiques ont permis une croissance exponentielle de l'énergie, le futur de la physique des particules semble toutefois plus limité. La forte consommation d'électricité des grands accélérateurs s'accommode mal de la relative pénurie en énergie que les États envisagent de plus en plus. Il semble bien que les prochains accélérateurs seront mondiaux, ou n'existeront pas.

Site du Cern

Photographie : Site du Cern

Cette vue aérienne montre l'emplacement du Cern, à cheval sur la frontière franco-suisse (la ligne pointillée souligne la frontière). L'accélérateur souterrain est souligné par le cercle blanc avec les différents détecteurs que positionnent les points blancs. 

Crédits : CERN

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Les détecteurs

Les détecteurs UA1 et UA2 ont permis de découvrir le W et le Z en 1983.

Détection de particules élémentaires, G. Charpak

Vidéo : Détection de particules élémentaires, G. Charpak

George Charpak, Prix Nobel de physique 1992 pour sa chambre proportionnelle multifils (appelée aussi chambre de Charpak), nous parle dans un entretien de la physique des particules et explicite quelques notions clés liées à ce domaine dont il est spécialiste : Qu'est-ce qu'une particule ?... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Le principe de base d'un détecteur de particules n'a que peu évolué avec le temps. Il s'agit de visualiser le passage d'une particule par un phénomène macroscopique amplifié qui a sa source dans l'ionisation (formation d'ions chargés) du milieu traversé par une particule chargée. Les particules neutres sont détectées par l'intermédiaire des particules chargées qu'elles accélèrent au cours de collisions. Après les premières techniques d'émulsions et de chambres à brouillard, les chambres à bulles ont eu un rôle-clé en physique des particules durant les années [...]

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Niveaux de structure

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Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Énergie nucléaire

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Particules élémentaires : propriétés

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Modes d'interaction des quarks et des leptons

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Écrit par :

  • : physicien au Cern, Genève, membre de l'Académie des sciences de Suède, correspondant de l'Académie des sciences de France
  • : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau

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Pour citer l’article

Maurice JACOB, Bernard PIRE, « PARTICULES ÉLÉMENTAIRES - Caractères généraux », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 03 décembre 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/particules-elementaires-caracteres-generaux/