particule
nom féminin
(latin particula)

Cet article fait partie du DOSSIER consacré à la matière.

 Très petite partie de quelque chose : Des particules de calcaire.
 Préposition de ou élément qui précède certains noms de famille et qui est parfois un signe de noblesse.
 Composant d'une roche sédimentaire.
 Petit mot invariable servant à préciser le sens d'autres mots ou à indiquer des rapports grammaticaux. (On désigne parfois ainsi les préfixes et les suffixes, l'adverbe négatif ne, etc.)
 Constituant d'un système physique considéré comme élémentaire par rapport aux propriétés étudiées.
 Particule élémentaire ou particule, constituant fondamental de la matière apparaissant, dans l'état actuel des connaissances, comme indivisible.

 Physique des particules,

Accélérateur de particules linéaire

PHYSIQUE

Introduction

De tout temps les scientifiques ont sondé la structure de la matière pour trouver unité et simplicité dans un monde qui nous frappe par sa diversité et sa complexité apparentes. N'est-il pas remarquable de découvrir que tous les objets qui nous entourent ne sont que les multiples assemblages, parfois fort complexes, d'un petit nombre de constituants fondamentaux, qui nous apparaissent aujourd'hui comme les particules élémentaires du monde ? N'est-il pas remarquable que toutes les forces que nous voyons en jeu dans la nature ne soient que les différentes manifestations d'un tout petit nombre de mécanismes fondamentaux prenant une forme particulièrement simple au niveau des particules élémentaires ?

Structure de l'atome

L'atome est tout petit. Un gramme de matière contient près d'un million de milliards de milliards d'atomes (10²⁴). Cependant, grâce aux instruments dont ils disposent, les physiciens peuvent maintenant décrire et comprendre la structure de la matière avec une résolution près de un milliard de fois supérieure aux dimensions atomiques.

La physique des particules se pratique auprès de grands accélérateurs. Elle requiert de plus en plus d'importantes collaborations internationales, nécessaires pour réaliser et exploiter ces machines ainsi que les détecteurs qui permettent d'analyser les événements observés. Ces collaborations sont des milieux particulièrement favorables à l'éclosion de nouvelles technologies. C'est comme cela qu'est né le World Wide Web.

La physique des particules s'efforce de découvrir les constituants fondamentaux de la matière et de comprendre leurs interactions, c'est-à-dire la façon dont ces constituants se lient entre eux pour réaliser les structures souvent très complexes et variées que nous observons dans le monde qui nous entoure.

Il y a une trentaine d'années, le pouvoir de résolution des instruments les plus performants pour étudier la structure intime de la matière atteignait le millionième de milliardième de mètre (10^–15 m), autrement dit la dimension du proton et du neutron, les constituants du noyau atomique. Ce dernier est beaucoup plus petit que l'atome, car les nucléons y sont tassés les uns contre les autres. L'atome a un rayon 100 000 fois plus grand et son volume est rempli par le mouvement incessant des électrons qui entourent le noyau.

Aujourd'hui, le pouvoir de résolution atteint le milliardième de milliardième de mètre (10^–18 m) et permet tout juste d'atteindre 10^–19 m, mais avec un flou qui frustre les spécialistes de la vision plus nette dont ils souhaiteraient beaucoup bénéficier. À l'intérieur du proton et du neutron, on peut clairement voir les quarks, qui comptent désormais parmi les constituants fondamentaux de la matière. Il y a 18 types de quarks, qui se distinguent par leur « saveur » et leur « couleur ». Il s'agit là de nouveaux concepts pour lesquels on a préféré ces appellations imagées aux racines grecques en faveur auparavant. L'électron est aussi l'un des constituants fondamentaux de la matière. Il fait partie d'un ensemble de six particules élémentaires appelées leptons.

Les forces présentes dans la nature résultent des symétries entre quarks et entre leptons. Tout cela est résumé par le « modèle standard » des particules élémentaires et des interactions fondamentales. C'est un niveau de structure où la nature quantique et relativiste de la physique est omniprésente. Maintenir la causalité dans un monde quantique et relativiste implique l'existence d'antimatière, dont la prédiction et l'observation ont constitué un grand succès. À chaque particule correspond une antiparticule de même masse mais de charge opposée.

Les moyens d'étude

Le prix à payer pour obtenir la résolution recherchée est l'énergie de collision entre l'objet qui sert de sonde et celui dont on souhaite étudier la structure. Plus cette énergie est élevée plus la résolution atteinte est grande. Observer, au sens de l'expérience habituelle, c'est éclairer un objet et regarder la lumière qu'il renvoie. On ne peut distinguer de détails que si leur taille est supérieure à celle de la longueur d'onde utilisée. En deçà de la longueur d'onde, tout devient flou. Le pouvoir de résolution que l'on peut atteindre avec la lumière visible ne dépasse pas une fraction de millième de millimètre.

La lumière visible ne correspond cependant qu'à un facteur deux dans l'échelle de fréquences des radiations électromagnétiques. Aux fréquences plus basses, on trouve l'infrarouge, puis les ondes radio. Aux fréquences plus élevées, on rencontre l'ultraviolet, les rayons X, puis les rayons gamma. Pour atteindre la résolution qui est nécessaire pour plonger à l'intérieur du noyau, puis à l'intérieur du proton, il faut des rayons gamma de très faibles longueurs d'onde, autrement dit de très haute énergie. On peut les obtenir par rayonnement de particules chargées, comme l'électron ou le proton, quand ils sont accélérés vers de très hautes énergies. On peut cependant opérer plus directement en utilisant le fait que l'électron et le proton se comportent comme des ondes aussi bien que comme des particules. Cela traduit la description quantique qu'il faut adopter au niveau des particules. La longueur d'onde associée à une particule de très haute énergie est inversement proportionnelle à son énergie : électrons et protons de hautes énergies sont donc aussi des sondes qui se comportent comme de la lumière de très petite longueur d'onde. Ce sont eux qui permettent d'observer la structure fine de la matière, avec un pouvoir de résolution d'autant meilleur que leur énergie est plus élevée.

Les accélérateurs de particules

Accélérateur de particules linéaire

• Accélérateur de particules circulaire, le cyclotron

En étudiant les résultats de collisions à très hautes énergies, on peut explorer la structure intime de la matière, reconnaître les particules élémentaires et étudier leurs propriétés. Le pouvoir de résolution est déterminé par la puissance des accélérateurs.

Le principe de l'observation reste le même que celui utilisé avec la lumière visible, en aidant l'œil avec un instrument d'optique. Un accélérateur communique une grande énergie aux particules qu'il accélère. Les plus performants sont des collisionneurs, où des faisceaux de particules sont simultanément accélérés dans des directions opposées et amenés en collisions frontales dans des zones où l'on dispose les détecteurs. Les produits des collisions étudiées sont analysés par les détecteurs qui rassemblent les données permettant de déterminer la nature et les propriétés des particules issues de la collision. Ces collisions de haute énergie engendrent en général un véritable feu d'artifice de particules nouvelles. Une partie de l'énergie de collision se transforme en matière et en antimatière.

On exprime les énergies de collision en électronvolts (eV). L'électronvolt est l'énergie acquise par un électron sous une différence de potentiel de un volt. C'est en gros l'énergie par électron fournie par une pile électrique, car c'est aussi l'ordre de grandeur de la variation d'énergie par électron impliquée dans une réaction chimique typique. Vers 1960, les accélérateurs permettaient d'obtenir des énergies de collision de l'ordre d'une centaine de millions d'électronvolts (100 MeV). On pouvait ainsi descendre jusqu'à 10^–15 m. Aujourd'hui, les énergies de collision atteintes dépassent la centaine de milliards d'électronvolts (100 GeV). Le collisionneur de Fermilab, près de Chicago, aux États-Unis, permet d'atteindre des énergie de collision de 2 TeV (2 000 GeV) entre proton et antiproton. Mais la machine la plus puissante du monde est désormais le LHC (Large Hadron Collider), grand collisionneur de hadrons mis en service en septembre 2008 au Cern, qui doit permettre d'atteindre 14 TeV.

Analyser et comprendre la structure intime de la matière, c'est donc aussi comprendre la physique des hautes énergies. C'est savoir décrire et prédire ce qui se passe au cours de telles collisions.

Du LEP au LHC

LEP, Cern, Genève

Le LEP (Large Electron Positron collider) du Cern était dans les années 1990 le plus grand accélérateur du monde. Des électrons étaient accélérés dans un sens, dans une chambre à vide circulaire placée dans un tunnel de 27 km de circonférence, situé à environ 100 m de profondeur et traversant quatre fois la frontière franco-suisse. Des positons (l'antiparticule de l'électron) étaient simultanément accélérés dans la même chambre à vide mais dans le sens opposé. En quatre endroits différents, électrons et positons étaient amenés à se rencontrer. Il se heurtaient de plein fouet avec une énergie de collision de 200 GeV. De gros détecteurs placés sur ces zones de collision permettaient d'analyser tout ce qui se passait au cours de ces chocs très violents. C'était la technique d'observation de la structure de la matière à l'échelle de 10^–18 m. Le LEP et ses détecteurs représentaient l'un des microscopes les plus performants du monde.

LHC, Cern, Genève

• LHC, Cern, Genève

Le nouveau collisionneur du Cern, le LHC, utilise le même tunnel pour accélérer des protons jusqu'à l'énergie permise par des aimants qui sont à la limite de la technologie actuelle et assez puissants pour maintenir les protons accélérés dans le tunnel. Des protons doivent y être accélérés dans les deux sens jusqu'à 7 TeV (7 000 GeV). Ils se heurteront de plein fouet dans des zones d'interaction, comme les électrons et les positons le faisaient dans le LEP. Le proton est un objet complexe construit à partir de quarks. On étudiera ainsi les collisions quark-quark, un quark n'ayant en moyenne que le sixième de l'énergie du proton auquel il appartient. Même au niveau des quarks, l'énergie atteinte sera plus de 10 fois plus élevée que celle qui était disponible avec le LEP. C'est la structure de la matière avec une excellente résolution à 10^–19 m qui sera ainsi dévoilée en grand détail. On attend beaucoup de ce gain par un facteur dix dans la précision de l'image.

Le LEP a lui-même succédé à d'autres accélérateurs du Cern, en particulier à un synchrotron à protons (PS) et à un supersynchrotron à protons (SPS) ayant respectivement 200 m et 2 km de diamètre. Après avoir compté l'un et l'autre parmi les accélérateurs géants du monde, ils ont servi d'injecteurs pour le LEP et sont encore utilisés comme injecteurs pour le LHC. Les particules issues de collisions de grande énergie ont aussi, souvent, une grande énergie. De gros appareils sont nécessaires pour dévier leur trajectoire et diminuer leur énergie par collisions successives, de façon à pouvoir déterminer leur nature et leurs propriétés. La construction et l'exploitation d'un tel détecteur demande la collaboration de plusieurs centaines de physiciens. Ils sont plus d'un millier pour chaque détecteur du LHC.

Physique des particules et cosmologie

L'Univers tel que nous l'observons est né, semble-t-il, d'une sorte de grande explosion, le big bang, qui s'est produite il y a environ 15 milliards d'années. Il est en expansion et les galaxies semblent se fuir les unes les autres avec des vitesses proportionnelles à leurs distances respectives. Sa densité et sa température n'ont cessé de décroître depuis le big bang ; aujourd'hui, elles sont toutes deux très faibles : la densité moyenne correspond à un atome par mètre cube et la température moyenne est de l'ordre de trois degrés absolus.

La relativité générale nous permet de suivre l'évolution de l'Univers et de retrouver les conditions proches de celles du big bang à partir des données actuelles. Au début de l'Univers, la température a chuté comme l'inverse de la racine carrée du temps et la densité a décru comme la quatrième puissance de la température. Inversement, au fur et à mesure que l'on remonte dans le passé, la température et la densité croissent. Le big bang représente l'instant où l'extrapolation des conditions actuelles conduit à une température et à une densité infinies.

Comme la température est proportionnelle à l'énergie moyenne par particule, au début de l'Univers, ses constituants avaient des énergies colossales et, par suite de la densité extrêmement forte, ils étaient en collision constante les uns avec les autres.

La physique qui prévalait à cette époque est donc la physique des hautes énergies que l'on explore à l'aide des accélérateurs : comprendre la structure intime de la matière, c'est aussi pouvoir décrire et comprendre ce qui se passait au début de l'Univers.

Vers 1970, les spécialistes maîtrisaient la physique à des énergies de l'ordre de 100 MeV, correspondant à la température de l'Univers quand il était âgé d'un dixième de millième de seconde. Aujourd'hui, les progrès réalisés permettent de comprendre la physique au niveau de 100 GeV, et, donc, les phénomènes qui se déroulaient dans l'Univers un dixième de milliardième de seconde après le big bang. Ainsi, le facteur mille gagné dans les énergies par particule (ou les températures) en passant de 100 MeV à 100 GeV a permis de reculer d'un facteur un million dans l'histoire des premiers instants de l'Univers. C'est dire combien la physique des particules et la cosmologie sont intimement liées.

Le modèle standard

Les particules élémentaires selon le modèle standard

Le modèle standard de la physique des particules est la théorie de référence qui décrit les constituants élémentaires de la matière et les interactions fondamentales auxquelles ils participent.

La description de la structure de la matière avec une résolution de 10^–18 m fait appel à deux familles de particules élémentaires, les quarks et les leptons. La participation des constituants élémentaires aux interactions fondamentales est conditionnée par leurs nombres quantiques conservés, ou charges d'interaction. À chaque constituant de la matière est associée son antiparticule, une particule de même masse et de charge opposée.

Quarks et leptons

Les quarks, découverts dans les années 1960, sont les constituants des nucléons (protons et neutrons), les particules constitutives des noyaux atomiques. Ils participent à toutes les interactions. Il en existe six espèces différentes. Pour décrire leurs propriétés, on a choisi d'utiliser des noms imagés, faute d'analogie avec quoi que ce soit de connu. Ainsi, la caractéristique qui, en dehors de la charge électrique, permet de distinguer les quarks est appelée « saveur ». Les six saveurs, caractéristiques des six espèces de quarks, sont dénommées : up (u), down (d), étrangeté ou strange (s), charme (c), beauté (b) et vérité, truth ou top (t). Par ailleurs, chaque saveur peut exister en trois variétés, qui portent les noms de « couleurs » : rouge, vert et bleu. De même que la masse permet à une particule de réagir à la gravitation et la charge électrique à la force électromagnétique, la couleur rend les quarks sensibles à l'interaction nucléaire forte, responsable de leurs associations et de la cohésion des noyaux atomiques. Cette force ne se manifeste pas au niveau macroscopique : les trois couleurs se compensent mutuellement pour former la matière globalement « incolore ».

Une autre particularité des quarks est le confinement : il est impossible de les obtenir individuellement à l'état libre. La famille des leptons rassemble les particules insensibles à la force nucléaire forte : l'électron ; deux particules analogues, mais plus lourdes et instables, le muon et le tauon (ou tau) ; et des particules électriquement neutres associées aux trois précédentes, les neutrinos.

Les quarks et les leptons se présentent en doublets. Il existe un doublet de quarks (u et d) auquel fait pendant un doublet de leptons (neutrino et électron). L'électron a une charge électrique (prise par convention égale à –1), contrairement au neutrino. Il y a aussi une différence d'une unité entre la charge du quark d (–1/3) et celle du quark u (+2/3). Deux quarks u et un quark d forment un proton (charge globale +1). Deux quarks d et un quark u forment un neutron (charge globale nulle). Les protons et les neutrons sont à la base de tous les noyaux atomiques. En ajoutant suffisamment d'électrons pour compenser la charge électrique du noyau, on obtient les atomes.

L'électron, le quark u et le quark d sont les constituants exclusifs de la matière ordinaire.

Création et destruction de particules

Au cours de certains processus de désintégration radioactive, un quark d peut se transformer en quark u, mais simultanément un neutrino se transforme en électron, ou un électron est créé avec un antineutrino. La charge globale est conservée.

Dans un proton, les trois quarks ont des couleurs différentes et le proton est globalement « incolore ». C'est aussi le cas d'une multitude de particules instables qui apparaissent dans les collisions de protons quand une partie de l'énergie de collision se transforme en matière et antimatière : ces particules sont des hadrons, qui peuvent être soit des baryons, formés de trois quarks, soit des mésons, formés d'un quark et d'un antiquark. Les antiquarks ont des couleurs opposées à celles des quarks qui leur correspondent.

Quand l'énergie devient matière, il se crée autant de quarks que d'antiquarks et autant de leptons que d'antileptons. La même règle s'applique lors de l'annihilation de la matière et de l'antimatière en énergie.

Les collisions de haute énergie entre quarks ou leptons font apparaître d'autres quarks et d'autres leptons. La nature répète ainsi deux fois la famille initiale en présentant deux doublets supplémentaires de quarks, auxquels sont associés deux nouveaux doublets de leptons. Le deuxième doublet renferme le quark « étrange » (s) et le quark « charmé » (c), le troisième le quark « beau » (b) et le quark « top » (t). Ce dernier a longtemps échappé aux investigations par sa masse très élevée, de l'ordre de 180 fois supérieure à celle du proton. Il a été finalement découvert au Fermilab, près de Chicago (États-Unis), en 1995, après que sa masse eut été prédite à partir de résultats obtenus à l'aide du LEP. Les quarks c et b sont aussi beaucoup plus lourds que les quarks u et d, mais néanmoins nettement plus légers que le quark t.

De même, le muon et son neutrino ainsi que le tauon et son neutrino constituent les deux autres doublets de leptons associés aux deux doublets précédents de quarks. Le muon est environ 200 fois plus lourd que l'électron et le tauon près de 3 000 fois plus lourd. Ces quarks et ces leptons lourds sont instables et très éphémères à l'échelle humaine. Ils se désintègrent en se transformant en quarks ou en leptons de masse moindre. Toutefois, la manifestation des forces entre quarks et leptons ne demande que des temps extrêmement faibles par rapport à la durée de vie de ces particules. À leur échelle, les quarks et les leptons sont donc tous aussi stables les uns que les autres et peuvent tous être considérés comme des constituants fondamentaux de la matière. Si la constitution de la matière stable de l'Univers ne fait appel qu'à la première famille de ces particules, les forces qui permettent de construire la matière à partir des éléments de la première famille font, elles, appel à la présence de tous les quarks et de tous les leptons.

Les quatre forces fondamentales

Les constituants fondamentaux de la matière portent des noms différents qui repèrent leurs différentes « saveurs ». On distingue trois familles de leptons et trois familles de quarks, chacune de ces particules existant sous trois variétés de « couleurs ».

Si l'on a découvert une assez grande diversité de particules, toutes les forces présentes dans la nature se ramènent en revanche à un nombre très restreint d'interactions fondamentales. D'après la mécanique quantique, pour qu'il y ait une interaction, il faut qu'au moins une particule élémentaire, un boson, soit émise, absorbée ou échangée.

L'interaction électromagnétique

Considérons l'interaction entre deux charges électriques. Dans la description usuelle du phénomène, on dit qu'une particule chargée crée un champ électrique qui remplit tout l'espace tout en décroissant comme l'inverse du carré de la distance à la charge. Une autre particule chargée est sensible à ce champ. Cela crée une force entre les deux particules. Si ces dernières se déplacent à une certaine vitesse, il faut introduire aussi le champ magnétique. On parle donc globalement de l'interaction électromagnétique. En physique quantique, ce champ présente également une forme corpusculaire : c'est une superposition de photons. Le processus fondamental de l'interaction électromagnétique correspond à l'émission d'un photon par un électron et à son absorption par un autre électron. Il implique la charge mais ne la modifie pas, puisque le photon échangé n'a pas de charge. C'est la base de l'électrodynamique quantique, qui permet de calculer tous les phénomènes mettant en jeu des échanges de photons au cours desquels peuvent aussi apparaître des paires électron-positon.

L'interaction forte

L'interaction forte repose sur la « couleur » des quarks. Le processus fondamental est très semblable à celui rencontré en électrodynamique. Deux quarks exercent une force l'un sur l'autre, et elle est associée à l'échange d'un gluon. Le gluon distingue la couleur mais peut aussi la changer car il porte lui-même de la couleur. Ce processus est à la base de la chromodynamique quantique, qui permet de calculer les phénomènes associés à l'échange de gluons, capables de se transformer en paires de quarks et d'antiquarks.

L'interaction faible

L'interaction électromagnétique et l'interaction forte ne peuvent pas changer la « saveur ». Mais il existe une autre interaction fondamentale qui peut le faire : c'est l'interaction faible. Elle existe sous deux formes. L'une peut changer la « saveur » et la charge et correspond à l'échange d'un boson W. L'autre peut agir sans changer la « saveur » ni la charge et correspond à l'échange d'un boson Z. Les neutrinos, qui n'ont ni charge ni « couleur », ne sont sensibles qu'à l'interaction faible.

L'interaction électromagnétique et les deux formes de l'interaction faible ne sont en fait que trois aspects d'un mécanisme unique, l'interaction électrofaible, car, en comprenant leur mode d'action, on s'est aperçu qu'on ne pouvait pas avoir l'une sans avoir les deux autres.

Mais il a fallu du temps pour parvenir à cette découverte car, si le photon a une masse nulle, les bosons W et Z sont très lourds, atteignant chacun près de cent fois la masse du proton, dont l'énergie de masse est proche de 1 GeV. Ce sont ces grosses masses échangées qui minimisent les effets de l'interaction et lui valent le qualificatif de faible. Ce n'est qu'au cours de collisions où l'énergie est comparable à l'énergie de masse du boson W ou du boson Z que la présence de ces masses élevées devient moins importante et que les interactions électromagnétiques et faibles peuvent montrer au grand jour leur étroite parenté.

L'interaction gravitationnelle

C'est une force universelle, en ce sens qu'elle est subie par toutes les particules connues. Elle est de loin la plus faible des forces, elle est toujours attractive et, de plus, elle a une portée infinie. C'est grâce à ces deux dernières caractéristiques qu'elle est détectable macroscopiquement : l'addition des forces gravitationnelles qui s'exercent entre les particules de notre corps et la Terre, par exemple, produit une force appelée poids. Au niveau des particules élémentaires, cette force devient importante seulement lorsque des énergies considérables entrent en jeu. Dans un noyau atomique, par exemple, la force d'attraction gravitationnelle entre deux protons est 10³⁶ fois plus faible que celle de la répulsion électrostatique. C'est à partir d'une énergie de 10¹⁹ GeV (1 GeV est l'énergie cinétique qu'acquiert un électron quand il est accéléré par une différence de potentiel de 1 000 millions de volts) qu'elle devient comparable à l'interaction électromagnétique.

Ainsi, malgré le grand nombre d'acteurs en présence, les thèmes de base de leurs jeux sont donc très peu nombreux et très semblables. C'est à ce niveau que se rencontrent l'unité et la simplicité. Qui plus est, on sait aujourd'hui déduire l'existence et les propriétés des forces fondamentales des symétries que les quarks et les leptons manifestent entre eux. La présence des forces est une conséquence du fait que ces particules sont nombreuses, mais qu'on peut dans une large mesure les mettre les unes à la place des autres sans modifier la description du monde : les quarks et les leptons sont groupés en doublets de « saveur » et les quarks en triplets de « couleur ». La compréhension de la nature profonde des forces est l'un des grands succès de la physique contemporaine. C'est le domaine des théories de jauge. L'existence et la propriété des forces sont impliquées par les symétries.

Points forts et points faibles du modèle standard

Le modèle standard consiste en un ensemble d'algorithmes, appelé développement perturbatif, permettant de calculer, par approximations successives, à l'aide d'un nombre fini et fixé de paramètres déterminés expérimentalement, les probabilités des réactions des leptons et des quarks, du photon et des bosons intermédiaires en interactions électromagnétique et faible, et les probabilités des réactions des quarks et des gluons en interaction forte à grand transfert d'énergie. Ce modèle a passé avec succès tous les tests expérimentaux auxquels il a été soumis et il a permis d'anticiper de très nombreuses découvertes expérimentales décisives : les réactions d'interaction faible à courants neutres en 1973, le quark charmé en 1975, le gluon en 1979, les bosons intermédiaires de l'interaction faible (bosons W⁺, W^– et Z⁰) en 1983, et le quark top en 1995. Toutes ses prédictions ont été confirmées par l'expérience, à l'exception d'une seule, l'existence du boson de Higgs, une particule que les physiciens recherchent activement.  

Le modèle standard comporte cependant des points faibles. Par exemple, il est en échec face au traitement quantique de la gravitation, il ne fournit pas d'explication à la propriété fondamentale du confinement qui interdit aux quarks de se propager à l'état libre hors des particules dont ils sont les constituants, etc. Ce modèle doit être considéré comme une théorie susceptible d'être améliorée et approfondie, voire remplacée dans l'avenir par une théorie radicalement nouvelle.

Vers la « théorie du tout » ?

Le modèle standard permet de décrire avec précision la structure de la matière avec une résolution de 10^–18 m et d'évoquer ce qui se passait au début de l'Univers, dès 10^–10 seconde après le big bang.

On pense aujourd'hui que l'interaction forte et l'interaction électrofaible ne sont que deux aspects d'un phénomène unique. Ce dernier ne devrait cependant se manifester ouvertement qu'à de très grandes énergies, que l'on situe vers 10¹⁶ GeV. On verra sans doute alors apparaître au grand jour d'autres mécanismes transformant les quarks en leptons et mettant en jeu l'échange de particules, encore hypothétiques, dont la masse est de l'ordre de 10¹⁶ GeV. Ce n'est que pour des énergies de collision dépassant largement ce seuil que les différents modes d'interaction devraient apparaître sur un pied d'égalité, dévoilant ainsi explicitement leur grande unité.

De telles énergies sont encore hors de notre portée et le resteront pour longtemps. Mais c'était celles qui prévalaient théoriquement 10^–38 seconde seulement après le big bang. C'est à ce moment que les quarks et les leptons sont apparus, figés pour toujours dans leur état de quark ou de lepton avec un très léger excès, déjà mentionné, de quarks par rapport aux antiquarks et de leptons par rapport aux antileptons. On explique ainsi pourquoi l'Univers contient autant de protons que d'électrons, en étant globalement neutre. C'est le domaine de la théorie de Grande Unification, encore très spéculative. Aux énergies qui nous sont accessibles, la gravitation qui s'exerce entre des particules individuelles reste tout à fait négligeable en regard des autres forces fondamentales. Mais, à des énergies de l'ordre de 10¹⁹ GeV, elle devient aussi importante qu'elles, car ses effets croissent avec l'énergie. On pense même pouvoir l'associer aux autres modes d'interaction actuels dans le cadre d'une théorie unique. Celle-ci incorporerait une formulation quantique de la gravitation qui manque encore aujourd'hui mais dont la théorie des supercordes donne déjà un aperçu. La mise au point de cette « théorie du tout » constitue l'un des grands sujets de recherche actuels de la physique. L'Univers n'était âgé que de 10^–44 seconde quand l'énergie y était de l'ordre de 10¹⁹ GeV. C'est à ce moment que le temps et l'espace prirent la forme que nous leur connaissons. Nous manquons encore de concepts plus profonds pour remonter au-delà.

La visualisation des particules

Comment parvient-on à observer les particules malgré leur taille extrêmement réduite ? On ne voit en réalité que des effets secondaires liés à leur présence et l'on déduit de l'observation de ces phénomènes le passage et les propriétés d'une ou plusieurs particules.

Prenons par exemple le cas d'une particule chargée de grande énergie traversant la matière. Elle arrache au passage des électrons aux atomes auprès desquels elle passe. Si l'on accélère ces électrons en les soumettant à un champ électrique, ils vont arracher à leur tour beaucoup d'autres électrons, qui seront eux aussi accélérés. Cette avalanche d'électrons produit un signal décelable, soit par l'intermédiaire de la charge qu'ils transportent, soit par l'intermédiaire de la lumière qu'ils émettent en étant accélérés. Tel est le principe du fonctionnement d'un détecteur.

En utilisant plusieurs phénomènes secondaires et en courbant les trajectoires dans des champs magnétiques, d'autant plus facilement que les particules ont moins d'énergie, on peut poser beaucoup de questions, obtenir beaucoup de réponses et connaître la nature et les propriétés des particules qui traversent un détecteur. Un grand détecteur moderne, comme ceux du LEP, récolte de tels signaux à différents moments du passage d'une particule à travers différents types d'absorbants offrant chacun les électrons de leurs atomes à arracher. Les renseignements complémentaires ainsi obtenus permettent de déterminer toutes les propriétés de la particule et non pas simplement son passage. Un champ magnétique intense courbe la trajectoire entre différents niveaux de détection et apporte une mesure de l'impulsion.

La nature du vide

Un phénomène nouveau et spectaculaire apparaît. Le vide est opaque à certaines particules. Le vide de la physique, qui est par définition l'état d'énergie le plus bas, n'est pas le néant. Il a une certaine structure, qui le rend opaque à la « couleur » portée par les quarks et les gluons et qui communique aux bosons W et Z leur grande masse apparente.

L'existence des quarks ne fait pas de doute, bien qu'on ne puisse pas les voir. Avant d'atteindre un détecteur, ils se trouvent bloqués par le vide, qui s'oppose à leur passage. Cette nature curieuse du vide, qui l'amène à présenter des propriétés très semblables à celles que l'on rencontre dans les corps supraconducteurs (opaques au champ magnétique), est l'une des grandes questions actuelles de la physique. On comprend comment les choses se passent, mais pas encore pourquoi de façon satisfaisante. On connaît encore mal la dynamique sous-jacente qui donne au vide cette structure, alors qu'elle est comprise dans le cas d'un corps supraconducteur. C'est pour l'analyser et la comprendre que les physiciens veulent atteindre une résolution de 10^–19 m, ou étudier des collisions avec des énergies supérieures à 1 000 GeV.

Un supraconducteur perd sa propriété de conduire l'électricité sans résistance au-delà d'une certaine température : la température critique, qui, pour de nombreux corps supraconducteurs, n'est que de quelques degrés absolus. On pense que le vide perd aussi ses propriétés spéciales au-delà de certaines températures : pour la « couleur », au-delà de 200 MeV, soit à des températures qui se chiffrent déjà en milliards de degrés absolus ; pour la masse du boson W et du boson Z, à des énergies de l'ordre de 200 GeV, correspondant à des températures mille fois plus élevées.

L'Univers est passé par ces températures ! L'énergie était de l'ordre de 200 GeV 10^–11 seconde après le big bang et de l'ordre de 200 MeV 10^–5 seconde après le big bang. Chaque fois, le vide s'est semble-t-il figé dans une certaine structure, comme de l'eau se solidifiant en glace, et cette transformation a profondément changé l'aspect de l'Univers et la nature des phénomènes qui s'y déroulent.

Les jets hadroniques

Comment voir les quarks dans un vide opaque à la « couleur » ? L'opacité n'est pas absolue. Elle correspond à une certaine distance de pénétration au-delà de laquelle tout signal se trouve très sérieusement affaibli par rapport à sa valeur initiale. Pour un quark ou un gluon porteur de « couleur », il s'agit d'une distance de l'ordre de 1 fermi (10^–15 m). C'est la taille du proton. Les quarks peuvent librement exister à l'intérieur du proton mais ils ne peuvent pas en sortir. Le proton, lui, est globalement « blanc », et peut librement se propager dans le vide. Comment se caractérise cette résistance du vide à la pénétration de la « couleur » ? Pour une particule portant de la « couleur », pénétrer le vide « coûte » 1 GeV d'énergie par fermi. Mais si l'on donne à un quark une énergie de 100 GeV, comme cela est possible au cours d'une collision provoquée à l'aide d'un appareil tel que le LEP, ira-t-il jusqu'à 100 fermis ? Non ! Quand on « force » ainsi tant d'énergie dans le vide, rien n'empêche la matérialisation de cette énergie en particules et antiparticules. Le méson π, qui est formé d'un quark et d'un antiquark, est globalement neutre vis-à-vis de la « couleur ». Il peut librement se propager dans le vide, et son énergie de masse n'est que de l'ordre de 140 MeV. Avec quelques GeV, on obtient donc aisément la formation de plusieurs mésons π, qui s'échappent librement dans le vide. C'est ce qui se produit. On ne voit pas le quark, mais on voit, à la place, un jet de particules, surtout des mésons π, qui emportent globalement l'énergie du quark éjecté dans le vide. À l'énergie du LEP, ces jets (hadroniques) donnent une vue presque directe des quarks produits. Le quark n'atteint pas le détecteur, mais les mésons du jet y laissent des traces claires et nettes qui ne laissent aucun doute sur la présence et sur la nature de leur parent.

On peut observer les quarks de bien d'autres façons. On comprend la dynamique de l'atome, car on peut prédire les différents niveaux d'énergie dans lesquels il peut se trouver et calculer les probabilités des changements (ou transitions) entre ces différents états, qui s'accompagnent chacun de radiations d'une fréquence particulière, souvent dans le spectre visible. Les énergies sont de l'ordre de l'électronvolt.

Le « charmonium » illustre la physique atomique contemporaine. Il s'agit d'un système formé d'un quark charmé et de son antiquark. Le quark et l'antiquark annulent globalement leur charme respectif. Le charmonium n'a qu'un charme caché. Néanmoins, la nature et la masse du quark sont telles que le système a une stabilité qui permet l'étude de ses états excités et de leurs transitions vers l'état de base par radiation, comme c'est le cas pour un atome, et cela avant que le quark et l'antiquark ne s'annihilent. Les signaux de la dynamique ne laissent aucun doute sur la nature du système, formé d'un quark charmé et de son antiquark. N'est-il pas remarquable d'avoir atteint un niveau de structure où les constituants sont bien là mais invisibles individuellement ? Ils ne peuvent pas être arrachés des systèmes qu'ils constituent. Et pourtant, ils sont quasi libres dans la profondeur des hadrons comme ils l'étaient au début de l'Univers. La nature est plus riche que notre imagination.