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 des bosons responsables de leurs interactions mutulles. 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 ?

Le boson de Higgs, particule prédite par le Modèle standard et détectée pour la première fois en 2012, devrait 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

Le grand collisionneur de hadrons (Le LHC) a été construit au Cern (à Genève) pour traquer le boson de Higgs et répondre aux grandes questions encore ouvertes en physique des particules. Après avoir fonctionné de 2008 à 2012 à 6,5 TeV, il a redémarré en février 2015 et tourne actuellement à 13 TeV.

Les espoirs sont très grands d’accumuler des connaissances sur le fameux boson de Higgs (détecté pour la première fois en septembre 2012) et sur les particules supersymétriques. Deux grandes expériences, Atlas et CMS, sont consacrées à cette physique. Les chercheurs et ingénieurs de l’IN2P3 et de l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Unvers (Irfu, CEA) sont fortement impliqués dans ces expériences.

 

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. Sur ce thème, les physiciens de l’IN2P3 participent à l'expérience LHCb au Cern dédiée à la physique des mésons beaux auprès du LHC.

 

En savoir plus sur la contribution française au LHC

Le site LHC France explique le projet dans un langage accessible au plus grand nombre. Vous pourrez également y suivre l'actualité française du LHC et mieux comprendre cette grande aventure scientifique à travers "La BD du LHC".
En savoir plus : www.lhc-france.fr

Le webdocumentaire "Experience Cern 360", réalisé à l'occasion des 60 ans du Cern, vous propose des contenus multimédia pour découvrir le Cern et le LHC.
En savoir plus : www.experience-cern360.fr

Ces deux sites ont été créés par le CNRS et le CEA, les deux organismes de recherche français qui travaillent -- aux côtés de plusieurs universités -- auprès du LHC.