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La recherche en physique des particules dites "élémentaires"

Dernière mise à jour : vendredi 17 novembre 2006, par Nicolas Busser

Elle rassemble les recherches 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 de leurs interactions.

Les particules considérées actuellement comme les constituants les plus élémentaires de notre Univers se
répartissent en 2 catégories : matière et vecteurs d’interaction.

Certaines sont stables, d’autres n’existent qu’une fraction de seconde. Pour mettre en lumière la particularité de chacune et les lois qui régissent leur ensemble, le physicien accélère et fait entrer en collision des électrons, des protons, des noyaux...

Les accélérateurs - collisionneurs, tels des microscopes de l’infiniment petit

Vue d’artiste de l’accélérateur du L.H.C. près de Genève ; circonférence réelle de l’anneau principal : 27km ; les expériences aux points de collision des faisceaux sont représentées.

Un accélérateur-collisionneur est une machine qui fait usage de champs électriques (accélération) et magnétiques (guidage) pour faire entrer en collision deux faisceaux de particules chargées électriquement circulant en sens contraire.

Une expérience est montée autour d’un point de collision. Elle est composée de plusieurs couches cylindriques de différents détecteurs de particules. Une collision de deux particules au centre de ces détecteurs donnera naissance à une multitude d’autres particules. Les réponses des détecteurs renseigneront sur la nature des particules les traversant, leur énergie, leur position, et peut-être
sur la chaîne entière de créations-désintégrations qui a suivi la collision.

Du lot de collisions successives produites une fraction sera enregistrée, dont seule une proportion minime présentera un intérêt pour le physicien. Ce dernier devra, pour la mettre en évidence, faire usage d’outils statistiques, tout en s’appuyant sur des modèles théoriques.

Les accélérateurs-collisionneurs modernes tendent à évoluer vers des énergies cinétiques de collision plus élevées : elles permettent les créations de particules plus massives, éphémères, peut-être observables pour la première fois par l’homme.

Schéma d’une partie de tranche de l’expérience C.M.S. ; les réponses des détecteurs suivant les natures des particules incidentes sont figurées.

L’Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien s’investit, à travers son Département de Recherches Subatomiques, dans plusieurs expériences majeures présentes et futures d’accélérateurs-collisionneurs. Parmi elles :

C.M.S. (pour Compact Muon Solenoid) est une des quatre expériences en cours d’installation auprès du futur Grand Collisionneur Hadronique L.H.C. du C.E.R.N. (pour Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire ) près de Genève. Physicienne travaillant à l’assemblage d’un détecteur. Ses objectifs majeurs :  expliquer l’origine et la hiérarchie des masses des particules élémentaires,  trouver de nouvelles symétries dans la nature,  faire des mesures de précision (masse du quark top...). Le début de la prise de données est prévu pour l’année 2007. Représentation éclatée de l’expérience C.M.S. ; poids réel : 12 500 t, longueur : 21,5 m, diamètre : 15 m.

DØ est une expérience installée au Tevatron, collisionneur basé au Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL), près de Chicago. Il provoque des collisions entre des protons et des antiprotons à des énergies jamais atteintes auparavant (surpassées par celles du L.H.C. lorsque celui-ci entrera en fonction). Schéma d’une collision entre un proton et un antiproton produisant une paire de quarks top - anti-top, et leur cascade de désintégrations. La prise de données a débuté en 1990, et se poursuivra encore plusieurs années. Une réussite majeure des physiciens du Tevatron (expériences CDF et DØ) fut la découverte du quark top en 1995. Vue aérienne du site du Tevatron. Le cercle lointain indique l’emplacement du tunnel dans lequel est installé l’accélérateur de particules.

Les auteurs

HOUCHU Ludovic , SICCARDI Vincent

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Vous pouvez télécharger le poster présenté sur le stand IPHC :