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Expériences

Physique des particules

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Constituants élémentaires et interactions fondamentales

Pour rendre compte de tous les phénomènes qui nous entourent, les physiciens font intervenir quatre interactions fondamentales. Dans le domaine de l’infiniment petit, le modèle standard de la physique des particules est la théorie quantique actuelle qui permet d’expliquer tous les phénomènes observables à l’échelle des particules. Le modèle standard englobe donc toutes les particules connues ainsi que les trois interactions ayant un effet à l’échelle des particules : l’interaction forte, l’interaction électromagnétique et l’interaction faible, ces deux dernières ayant été unifiées en une unique interaction appelée électrofaible. Ce modèle permet donc d’expliquer tous les phénomènes naturels sauf la gravité.

Le Modèle Standard fournit une classification des constituants élémentaires de la matière, les interactions étant expliquées par l’échange de bosons élémentaires (les messagers de chaque interaction) entre fermions élémentaires (quarks et leptons). Il existe 12 fermions élémentaires (particules de spin demi-entier) qui sont les particules "de matière", séparées en deux catégories :

* 6 LEPTONS et leurs antiparticules (antileptons), insensibles à l’interaction forte (les 3 leptons neutres, appelés neutrinos, ne sont sensibles qu’à l’interaction faible) ;

* 6 QUARKS et leurs antiparticules (antiquarks), sensibles aux 3 interactions et entrant dans la composition des particules appelées hadrons (on distingue les baryons, constitués de trois quarks, et les mésons, constitués d’un quark et d’un antiquark). Il existe 12 bosons élémentaires (particules de spin entier) qui sont les particules "de rayonnement" véhiculant les interactions fondamentales :

* 8 GLUONS qui véhiculent l’interaction forte ;

* les W- +, W- et Z0 qui véhiculent l’interaction faible ;

* le PHOTON qui véhicule l’interaction électromagnétique.

Le modèle standard prédit aussi l’existence d’au moins un boson de Higgs, particule qui apparaîtrait lorsque le champ de Higgs se couple aux autres particules de la théorie pour leur donner une masse. La recherche du boson de Higgs est très active auprès de nombreux accélérateurs actuels et constitue l’enjeu principal du futur accélérateur LHC. Malgré ses grands succès et bien qu’il n’ait jamais été mis en échec jusqu’à présent, le modèle standard n’est pas la théorie ultime de la physique, une des raisons principales étant qu’il ne tient pas compte de l’interaction gravitationnelle. En effet, il paraît naturel de tenter d’unifier toutes les interactions (ce qui a été fait partiellement avec la théorie électrofaible) en une seule interaction universelle, ce qui est l’apanage des théories de grande unification. Des recherches actives se poursuivent pour prouver l’existence d’une physique au delà du modèle standard, par des études sur d’éventuelles violations de symétries ou sur la masse des neutrinos.

Astroparticules et Cosmologie

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L’astrophysique est la science de l’infiniment grand, où les distances se comptent en années-lumière et où d’innombrables particules interagissent pour créer des phénomènes remarquables, comme l’agrégation des étoiles ou l’explosion d’une supernova. À l’inverse, la physique des particules est la science de l’infiniment petit, avec des distances inférieures au fermi, le milliardième de micromètre, et des petites populations. Il existe pourtant des rapprochements très étroits entre l’étude des grandes structures de l’univers et celles des mécanismes de l’infiniment petit. L’identification des atomes par leur spectre de rayonnement a ainsi permis de déterminer à distance la composition chimique des étoiles et des planètes. A contrario, l’existence de certaines particules fut soupçonnée par l’étude du rayonnement cosmique. Malgré les très hautes énergies atteintes par les accélérateurs actuels, les collisions les plus énergétiques observées restent celles des particules cosmiques. Tandis que les cosmologistes s’attachent à comprendre ce qui s’est passé il y a environ 15 milliards d’années au moment du Big bang, les physiciens des particules ont la conviction que des phénomènes, aujourd’hui non reproductibles en laboratoire faut d’énergie suffisante, ont eu lieu au tout début de l’univers, fournissant les mécanismes fondamentaux des interactions entre particules. Les uns et les autres travaillent, parfois au sein de collaborations communes, à remonter le temps qui les sépare de la " singularité " initiale pour y rencontrer une composition de plus en plus variée en particules et en antiparticules.