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
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
- Maurice JACOB : physicien au Cern, Genève, membre de l'Académie des sciences de Suède, correspondant de l'Académie des sciences de France
- Bernard PIRE : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau
Classification
Médias
Niveaux de structure
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Énergie nucléaire
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