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PARTICULES ÉLÉMENTAIRES

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

Site du Cern - crédits : CERN

Site du Cern

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.

Les détecteurs[...]

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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

Classification

Pour citer cet article

Maurice JACOB et Bernard PIRE. PARTICULES ÉLÉMENTAIRES [en ligne]. In Encyclopædia Universalis. Disponible sur : (consulté le )

Article mis en ligne le et modifié le 21/03/2024

Médias

Niveaux de structure - crédits : Encyclopædia Universalis France

Niveaux de structure

Énergie nucléaire - crédits : Planeta Actimedia S.A.© Encyclopædia Universalis France pour la version française.

Énergie nucléaire

Particules élémentaires : propriétés - crédits : Encyclopædia Universalis France

Particules élémentaires : propriétés

Autres références

  • DÉTECTEURS DE PARTICULES

    • Écrit par , , , et
    • 10 978 mots
    • 12 médias

    L' histoire de la physique subatomique est intimement liée à l'évolution des détecteurs de particules. Ces appareils furent souvent inventés pour répondre à des exigences précises de la physique. Ils furent aussi, parfois, le fruit des retombées du progrès de la technologie. Les deux classes de phénomènes...

  • HADRONS

    • Écrit par
    • 4 223 mots
    • 2 médias

    La famille des hadrons rassemble les nombreuses particules sensibles à l'interaction nucléaire forte, cette force extraordinairement intense qui assure la cohésion du noyau en confinant les nucléons – protons et neutrons – dans un tout petit volume, malgré la répulsion électrostatique entre les protons....

  • ACCÉLÉRATEURS DE PARTICULES

    • Écrit par et
    • 3 528 mots
    • 3 médias

    Les modèles et théories qui synthétisent notre compréhension actuelle de la matière et de ses constituants élémentaires – molécules, atomes, particules – ont été confrontés à une multitude d'observations expérimentales. Pour réaliser ces expériences, c'est-à-dire observer l'infiniment petit, on utilise...

  • BOSONS ET FERMIONS

    • Écrit par
    • 1 709 mots
    • 1 média

    Classer les objets d’étude est une étape essentielle de la démarche scientifique, dans tous les domaines. Peu après la naissance de la physique moderne, il est apparu que le concept de spin permettait de distinguer deux classes d’objets quantiques : les bosons et les fermions. Rappelons que,...

  • ÉLECTRONS

    • Écrit par et
    • 6 657 mots
    • 5 médias

    L'électron est une particule élémentaire stable. Il possède une charge électrique négative et une très petite masse (près de 2 000 fois plus petite que celle de l'atome le plus léger, l'hydrogène). Il a un moment angulaire propre appelé spin, égal à h/4π (h étant la...

  • NEUTRINOS

    • Écrit par
    • 4 031 mots
    • 2 médias

    Les neutrinos sont sans doute les particules élémentaires les plus déconcertantes de l'Univers. Omniprésents, ils interagissent si faiblement avec la matière qu'ils traversent quasiment sans être déviés les planètes comme les espaces intergalactiques. Continuellement produits lors...

  • QUARKS

    • Écrit par
    • 2 130 mots
    • 1 média

    Les quarks sont des particules élémentaires. Ils ont été imaginés en 1963 pour expliquer la multiplicité croissante des particules élémentaires et la régularité apparente du nouveau tableau des éléments découverts grâce aux expériences utilisant les grands accélérateurs et sont maintenant considérés...

  • ANDERSON CARL DAVID (1905-1991)

    • Écrit par
    • 554 mots

    Le physicien américain Carl David Anderson est né à New York de parents suédois le 3 septembre 1905. Après des études au California Institute of Technology de Pasadena, il y fait toute sa carrière, jusqu'à sa retraite en 1978. Dans sa thèse de doctorat soutenue en 1930, sous la direction de Robert...

  • ANTIMATIÈRE

    • Écrit par et
    • 6 931 mots
    • 4 médias
    Les résultats établis historiquement d'abord pour l'électron sont en fait plus généraux.Chaque particule possède une antiparticule qui lui est associée. Elles ont les mêmes caractéristiques mécaniques, c'est-à-dire même masse et même moment cinétique intrinsèque, ou spin. Mais une particule et...
  • ASPECT ALAIN (1947- )

    • Écrit par
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    Il choisit un sujet extrêmement risqué : éprouver les fondements de la mécanique quantique et éclairer le débat épistémologique entre Albert Einstein et Niels Bohr en étudiant le phénomène dit d’intrication d’une paire de particules.
  • ASTROPARTICULES

    • Écrit par
    • 2 125 mots
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    Les neutrinos (ν), produits en grande abondance par des processus divers à des énergies qui s'étendent de 10—5 à 1015 électronvolts, peuplent l'Univers à raison d'environ 300 par centimètre cube. Sont-ils massifs ? Les mesures directes de leur masse, très difficiles, donnent des limites...
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