Pourquoi faut-il accélérer les particules pour les voir?

L'accélérateur de particules fait gagner de la vitesse à des particules. Les nouvelles particules sont produites lors des collisions entre le faisceau de particules énergétique avec une cible fixe ou avec un faisceau de particules se propageant sens inverse. La collision de deux faisceaux se propageant en sens inverse libère deux fois plus d'énergie qu'avec une cible fixe. Pour faire une analogie, une collision entre deux automobiles venant en sens inverse cause plus de dommage qu'une voiture qui entre dans un mur ou un arbre (quoi que l'arbre objectera à cet argument).

Dans le monde des physiciens, une collision est en fait une interaction. Les particules n'entrent pas en collision comme des autos. Dans le modèle standard des particules, les particules sont des points de tailles infinitésimales. La probabilité d'un face à face entre deux particules est donc nulle. Dans la théorie des cordes, se sont des cordes. La taille des cordes est de 1x10^-35m!!! La taille d'un atome est de 1x10^-10m. Même selon la théorie des cordes, la probabilité de collision physique entre particules est infime. Les particules interagissent et ce sont ces interactions à hautes énergies qui créent de nouvelles particules. Par exemple, un photon d'une énergie d'environ 1000 MeV interagissant avec un noyau peut produire une paire électron-positron.

Les protons, les électrons, les neutrons ainsi que les photons sont visibles à la température ambiante. Inutile de les accélérer et de créer une collision pour les voir. La plupart des autres particules ont une durée de vie limitée. L'antimatière est un bon exemple. Une particule d'antimatière se désintègre au contact de la matière. Il est possible d'observer de l'antimatière dans le vide pour de courts instants avant qu'elle ne s’annihile sur une paroi ou avec une impureté du vide. Il faut produire ces particules pour les observer, ce qui implique de l'énergie, ce que fournissent les accélérateurs. Le muon est un autre exemple de particules de courte durée. Sa durée de vie est de l'ordre du micron.

Le boson de Higgs aurait une masse autour de 140 GeV selon les dernières estimations théoriques. Une masse est la même chose que de l'énergie en raison de l'équation E=mc^2. Rappelons qu'un électron dans un plasma à 10 000 K a une énergie de 1 eV. C'est très très chaud 10 000K! C'est deux fois la température de la surface du soleil. Alors, essayer d'imaginer 140 milliards de fois cette énergie. Pour voir le boson de Higgs, 140 GeV sont nécessaires à sa création. Le LHC prévoit en produire 7 TeV. La création de particules est un processus aléatoire. Ce n'est pas parce que 140 GeV sont mis en jeu dans la collision qu'un Higgs sera produit. Loin de là. Il y aura une gerbe de millions de particules et, parfois, un Higgs apparaîtra, s'il existe. Les scientifiques doivent analyser des millions, voire des milliards de collisions pour identifier avec certitude le signal d'une seule particule.

Finalement, il y a les quarks. Les quarks constituent les protons et les neutrons. La théorie des quarks se nomme la chromodynamique quantique et a été développée par Murray Gell-Mann. Les quarks ont une charge et aussi une couleur, qui est un type de charge, mais pour la force forte. Le nom chromo vient de couleur, d'où chromodynamique, la dynamique des couleurs (j'aime le choix des noms pour cette théorie). Les quarks sont liés entre eux par la force forte par l'entremise des gluons. Les gluons portent bien leur nom. Ils sont tellement efficaces à lier les quarks, qu'il n'est possible de voir des quarks libres qu'à de très très hautes énergies sous forme de plasma quark-gluon. Pour des températures plus faibles, les quarks forment des particules lourdes nommées hadron. En étudiant les hadrons, les physiciens sont parvenus à comprendre la dynamique des quarks, sans vraiment les voir.

Qu'arrive-t-il lorsque des particules sont ralenties?

Ralentir une particule dans le vide réduit sa vitesse et son énergie cinétique. Si la particule est seule, il ne se passe pas grand-chose, elle est juste ralentie. Par contre, si un groupe de particules est ralenti, des phénomènes intéressants se produisent. Ralentir des particules est équivalant à réduire la température du système. La température est une mesure statistique du mouvement aléatoire des particules. La température n'a pas de sens pour une seule particule. Il faut un groupe suffisamment grand de particules pour définir une température.

Lorsque la température diminue, les atomes se condensent en liquide et ensuite cristallisent pour former un solide. Pour beaucoup d'éléments et de composé, c'est tout ce qui se passe en refroidissant. L'hélium agit bizarrement. Lorsque refroidit en deçà de 2,17 K, l'hélium perd sa viscosité et ne ressent plus aucune friction. Le liquide s'échappe du contenant en grimpant les parois! Voici un vidéo explicatif de la superfluidité:

Pour d'autres composés, comme le mercure, une chute de température entraîne de la supraconductivité. La résistance électrique disparaît et les électrons circulent sans aucune résistance. De plus, aucun champ électrique ne peut pénétrer le supraconducteur. Voici un vidéo illustrant cette propriété:

Le supraconducteur est le rectangle gris. La pastille ronde est un aimant. Comme le supraconducteur repousse les lignes de champ magnétique, l'aimant flotte sur le supraconducteur. Le liquide versé est de l'azote liquide pour refroidir le supraconducteur.

Un solide devient supraconducteur lorsque les électrons libres de son réseau cristallin s'associent en paire dite de Cooper. Les électrons sont des fermions. Ils n'aiment pas être dans le même état quantique que leurs voisins. En coopérant deux à deux, les électrons agissent comme des bosons, qui aiment être identiques à leurs voisins. Le moment magnétique des paires de Cooper est nul, ce qui leur permet de circuler dans le solide sans rencontrer aucune résistance.

L'accélération magnétique est-elle la seule manière d'accélérer des particules?

Non, ce n'est pas la seule manière, mais c'est celle qui permet actuellement d'obtenir les plus grandes énergies de collisions. D'autres possibilités existent. Par exemple, en créant une différence de potentiel entre deux points, il est possible d'accélérer une particule chargée comme un électron, un proton ou un ion. Une différence de potentiel se créé lorsqu'un objet est chargé électriquement. Un bon exemple est lorsque vous frottez un ballon sur votre tête. Le ballon se charge d'électron et colle à vos cheveux. Un générateur de Van de Graaff fonctionne en chargeant une sphère de métal avec des électrons. Lorsque la tension est suffisante, la boule se décharge dans la plus petite. L'université Laval a longtemps utilisé un générateur de Van de Graaff comme accélérateur de particules.

Principe de base d'un générateur Van de Graaf.
(Source: Wikipedia)

Un Van de Graaff est fascinant par sa simplicité. Sur le diagramme, nous voyons une courroie qui monte les charges vers le dôme de métal. C'est littéralement un monte-charge!!! La courroie est recouverte de petites lanières de métal, qui frotte à la base et se charge d'électricité statique. La courroie monte les charges qui s'accumulent sur le dôme. Quand vous frottez votre ballon sur votre tête, vous faites exactement comme un Van de Graaff!

Il y a une autre méthode prometteuse pour accélérer des particules. Elle consiste à accélérer des particules avec l'aide de laser ultra puissant. La méthode se nomme l'accélération laser. L'accélération laser nécessite un plasma. Un plasma est produit lorsque la matière est tellement chaude, que les électrons se libèrent des atomes. Le milieu est alors composé d'électrons libres et d'ions, qui sont des atomes chargés positivement.

Le soleil est une immense boule de plasmas.
(Source:www.myoo ps.org)

Pour obtenir une accélération laser, nous produisons une onde plasma en tirant dans le plasma avec le laser le plus intense possible. Le champ laser crée une séparation de charges dans le plasma qui se propage dans le milieu; une onde plasma. Il est préférable aussi que l'impulsion soit ultra-courte. L'onde plasma va se propager dans le milieu à la vitesse de groupe du laser dans le milieu. Bref, à la vitesse de la lumière dans le plasma. Une fois l'onde produite, certains électrons surfent sur l'onde plasma et gagnent de la vitesse, beaucoup de vitesses. Les électrons peuvent atteindre une énergie de 200 MeV en 2mm !!! L'électron volt est une mesure d'énergie. Un électron dans un plasma à 10000 K a une énergie d'un ou deux eV. Après son "surf" il a multiplié son énergie par 200 millions!!! Et ce, en 2 mm! C'est une accélération de 1 suivi de 22 zéro fois la gravité actuelle!

Surfons la vague pour atteindre des énergies supérieures!
(Source: www.xarj.net)

Les chercheurs tentent maintenant d'obtenir le GeV. L'accélération laser ne s'aligne pas pour concurrencer les grands accélérateurs. Cette technique est utilisée en radiothérapie pour produire des électrons et des protons de hautes énergies pour tuer les tumeurs. L'avantage est que l'accélération laser donne des faisceaux de particules quasi mono énergétiques et est plus compact qu'un accélérateur de particules.

Qu'est-ce que la théorie des cordes?

La théorie des cordes est une théorie qui tente d'unifier la mécanique quantique et la relativité générale en une seule théorie. Elle postule que les particules sont des cordes. La mécanique quantique conçoit les particules comme des points de taille infinitésimale. Les différents modes de vibrations des cordes engendrent les différentes particules. Un des aspects controversé de la théorie des cordes est qu'elle nécessite au minimum dix dimensions pour engendrer toutes les particules et les interactions. Des variantes de la théorie nécessitent 23 dimensions! Et comble, il n'y avait pas une, mais 5 théories des cordes!

Heille, man! Les physiciens en fument du bon,
moi, je suis juste capable de voir 5 dimensions!

Dix dimensions n'étant pas assez, Edward Witten en a ajouté une autre! Il a montré que les cinq théories des cordes étaient des approximations d'une théorie générale à 11 dimensions nommé M théorie. Pourquoi le M? Personne ne le sait, sauf Ed Witten. Plus amusant encore, personne n'a jamais formulé la théorie M. Les théoriciens savent qu'elles existent, mais ne sont pas capable de l'écrire.

Vous ne saurez jamais ce que veux dire le M! Ha ha ha!
(Source: http://www.sns.ias.edu/~witten/)

Notre univers a quatre dimensions: trois d'espaces et une de temps. Comment l'univers peut-il avoir 11 dimensions sans que nous le sachions? Les théoriciens se sont grattés pas mal la tête pour arriver à une explication de ce paradoxe. Il y a deux hypothèses envisagés: les dimensions supplémentaires sont repliés sur elle même ou nous vivons dans un sous espace d'un espace à 11 dimensions et n'en voyons que quatre!

Des dimensions qui se replient sur elle-même? Heu... Oui, c'est mêlant. Prenez un ruban de Möbius. Habituellement, un ruban a deux faces. Si vous le twister et le coller, vous obtenez un ruban de Möbius. Si vous suivez une face, vous revenez à votre point de départ. Il n'y a plus qu'une seule face!

Magika! Il n'y a plus qu'une face!
(Source: http://en.wikipedia.org/wiki/M%C3%B6bius_strip)

Donc, une dimension qui se replie est un peu comme un ruban de Möbius. Si vous marchez, vous allez éventuellement revenir à votre point de départ. Dans la théorie des cordes, les dimensions cachées se replient sur elle-même rapidement. Pour être précis, elles se replient sur une distance plus courte que la longueur de Planck. Cette distance est tellement petite que nous ne sentons pas les dimensions cachés. Seules les cordes qui sont de l'ordre de la longueur de Planck les sentent. Maintenant, essayer d'imaginer 6 dimensions repliés sur elle-même. Apparemment, ça ressemble à cela:

Un Calabi-Yau, un ruban de Möbius sur les stéroïdes.
(Source: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Calabi-Yau.png)

La seconde façon de ne percevoir que 4 dimensions sur 11 est... de vivre sur une des cordes. Plus précisément, sur un brane. Voilà, les cordistes se sont aperçus que leur théorie supportait d'autres objets que les cordes, comme des membranes, c'est-à-dire des objets à deux dimensions. Il est possible d'avoir des cordes, des membranes, des tribranes, etc jusqu'à 11. Le mot brane vient de la fin du mot membrane. Donc, un n-brane est une membrane en n dimensions.

Brane! Brane!

Selon la seconde hypothèse, notre univers est un 4-brane qui flotte dans un espace à 11 dimensions. Comme le brane a 4 dimensions, nous ne voyons que 4 dimensions, sauf pour la gravité, qui selon certaine variante, s’échapperait vers des dimensions supérieures, expliquant sa faible intensité.

La théorie des supercordes a supplanté la théorie des cordes en incluant la supersymétrie. La supersymétrie implique une relation profonde en les bosons et les fermions. Les bosons sont les particules responsables des forces et les fermions constituent les particules de matières. La supersymétrie implique que chaque fermion possède un super partenaire qui est un boson et que chaque boson possède un super partenaire qui est un fermion. Cette hypothèse est très séduisante pour les théoriciens, car elle permet d'unifier les forces à haute énergie de manière élégante. Par contre, aucune mesure expérimentale n'a confirmé cette hypothèse.

Est-ce que la théorie des cordes est une théorie sérieuse. Oui, c'est un sujet hyper chaud de la physique théorique depuis plus de 30 ans. Elle ne fait pas l'unanimité parmi la communauté scientifique. De grand physiciens, dont Richard Feynman ont critiqués la théorie des supercordes pour n'avoir apporté aucune prédiction expérimentale. Dernièrement, Lee Smolin a vertement critiqué la quantité de ressources attribué à la recherche sur la théorie des cordes en rapport avec sa capacité de prédiction dans son livre The Trouble With Physics.

Une théorie concurrente de la théorie des cordes est la gravitation quantique à boucle. Il y aussi la théorie d'Anthony Garrett Lisi qui utilise un espace mathématique particulier. Je vous recommande de regarder son Ted Talk (lien Lisi Ted Talk). C'est fascinant. L'avantage de sa théorie est qu'elle ne requiert que 4 dimensions.

Qu'est-ce que les scientifiques cherchent ou espèrent découvrir avec les accélérateurs de particules? (Partie 3)

Nous avons vu le boson de Higgs et les antiparticules, mais ils restent encore un autre champ de recherche très prisé par les scientifiques: les superparticules.

Qu'est-ce qu'une superparticule? Pour bien le comprendre, je dois introduire la sypersymétrie. La supersymétrie est une hypothèse théorique qui stipule une symétrie entre les bosons et les fermions. Rappelons que les bosons (ex.: photon) sont des particules qui véhiculent les forces et les fermions sont les particules qui constitue la matière (ex.: électron). Pour être plus précis, je devrais dire que les bosons obéisse à la statistique de Bose-Einstein et les fermions celle de Fermi-Dirac. Pour l'instant, juste se rappeler que les forces sont des bosons et la matière des fermions. Donc, la supersymétrie dit que chaque fermion a un super partenaire qui est un boson et inversement, que chaque boson possède un super partenaire qui est un fermion. Actuellement, personne n'a jamais observé de superparticules. Le Large Hadron Collider à Genève pourrait être le premier observateur à observer ces nouvelles particules qui confirmeraient la théorie de la supersymétrie.

Pourquoi est-ce important? Vous avez déjà entendu parler de la théorie des supercordes? Cette théorie postule que les particules sont des cordes minuscules. Les propriétés de chaque particule émergeraient des modes de vibration des cordes.

Les cordes vibres pour créer différentes particules.
(Source: http://www.gooduniverse.ca/blog1/?p=2259)

Le but ultime de la théorie des supercordes est d'unifier la mécanique quantique avec la relativité générale, créant une super théorie qui n’expliquerait pas mal tout. Mais voilà, le mot super dans supercordes vient de l'hypothèse de supersymétrie sur lequel est basé la théorie. Si la supersymétrie se révèle fausse, il en va de même pour la théorie des supercordes.

La plupart des modèles post modèle standard utilise l'hypothèse de sypersymétrie. S'il s'avère que les super partenaires n'existent pas, les physiciens théoriciens devront retourner à leur ardoise pour refaire complètement leur théorie.

Qu'est-ce que les scientifiques cherchent ou espèrent découvrir avec les accélérateurs de particules? (Partie 2)

Nous avons vu le boson de Higgs. Ce n'est pas la seule particule que les scientifiques recherchent. Le boson de Higgs ne justifie pas à lui seul la construction d'un accélérateur aux coups de milliards de dollars. Les scientifiques des particules essaient de comprendre plus en détail le comportement des quarks à l'intérieur des protons et des protons ainsi que d'amasser plus de données sur les brisures de symétries qui se produisent à haute énergie. Ils cherchent aussi à comprendre le comportement de l'antimatière.

Les accélérateurs servent à produire de l'antimatière qui permet aux scientifiques de les étudier. L'antimatière est formée d'antiparticules. Une antiparticule est une particule avec une charge inverse de son homologue. Lorsqu'une particule et son antiparticule se rencontrent, elles s’annihilent en dégageant une énergie fantastique. Par exemple, le positron a les mêmes propriétés que l'électron, mais avec une charge inverse. C'est ce que j'ai appris dans mes livres de cours. En réalité, personne n'est sur que le positron se comporte exactement comme l'électron. Pour cela, les scientifiques doivent le mesurer expérimentalement. Ce qu'ils font avec les accélérateurs. Des chercheurs actuellement produisent des antiprotons et des positrons et les combinent ensemble pour former de l'anti hydrogène. En étudiant l'anti hydrogène, les chercheurs sont en mesure de déterminer expérimentalement les propriétés de l'antimatière.

Pourquoi est-ce important de comprendre l'antimatière? Et bien, un problème sérieux se pose dans le modèle du Big Bang qui s'inspire du modèle standard. Lorsque l'univers chaud se refroidit suite à son expansion, les particules et les antiparticules apparaissent. Si les antiparticules ont exactement les mêmes propriétés que les particules, mis à part la charge inverse, alors la probabilité qu'elles apparaissent est la même que pour les particules. Comme les particules et les antiparticules s’annihilent en entrant en contact, la question est: pourquoi y a-t-il de la matière? Logiquement, si le nombre de particules et d'antiparticules produit est le même, il ne peut y avoir d'univers matériel, juste de l'énergie. Pour résoudre cette énigme, trois physiciens (Christenson, Cronin et Fitch) ont observé que les antiparticules ne se comportaient pas exactement comme les particules, entraînant en un avantage pour les particules. Les accélérateurs de particules permettent d'étudier plus en détail les différences entre les particules et les antiparticules et d'affiner nos modèles sur leur comportement et, par le fait même, affinent notre compréhension de l'univers dans son ensemble.

Qu'est-ce que les scientifiques cherchent ou espèrent découvrir avec les accélérateurs de particules? (Partie 1)

Ils cherchent le Saint-Graal de la physique théorique: le boson de Higgs!

Le Higgs! N'est-il pas magnifique?
(source: Indiana Jones et la dernière croisade)

Un boson est une particule élémentaire comme l'électron et le photon. Le boson de Higgs a été prédit par Robert Brout et François Englert et indépendamment par Peter Higgs, qui a publié juste un peu plus tard. Bon, pourquoi le boson de Higgs se nomme d'après Peter Higg seulement? Je ne le sais pas et si quelqu'un connait la réponse, je serais intéressé d'entendre l'histoire. Le boson de Higgs confère la masse au repos aux autres particules et permet d'unifier la force électromagnétique avec la force faible par le mécanisme de Higgs.

Pourquoi cette particule est-elle si importante? La physique des particules s’appuie présentement sur le modèle standard pour expliquer les interactions entre particules. Or, le modèle standard a besoin du boson de Higgs pour être cohérent. S'il se révèle que le boson de Higgs n'existe pas, adieu le modèle standard.

Nooooon! C'était la force technicolor!
(source: Indiana Jones et la dernière croisade) 

Une théorie concurrente est la théorie technicolor qui introduit une nouvelle force: la force technicolor. Le Fermilab a d'ailleurs détecté un signal qui pourrait être expliqué par cette théorie ( lien vers l'article). Par contre, de faux signaux surviennent souvent dans le monde des particules élémentaires. Il ne faut donc pas sauter rapidement aux conclusions.

L'accélérateur de particules à Genève, le Large Hadron Collider ou LHC, devrait apporter des données sur l'existence ou non du Higgs et confirmer ou non le modèle standard des particules.

Que signifie Mentalogicus?

Ok, pourquoi le nom Mentalogicus? Quel nom bizarre en effet! C'est mon alias sur le net. Je suis un admirateur de la série Dune de Frank Herbert . Je voulais un alias relié à Dune et qui n'avait pas de chiffe comme Menta35400. Je hais les pseudonymes avec des chiffres. Mon premier choix de nom était Kwitzach Haderach. Le nom n'était pas disponible. J'ai essayé plusieurs noms comme Mentat, Shai-Hulud sans succès. J'ai finalement combiné les mots Menta et le latin de logique, qui est logicus. D'où Mentalogicus. Le nom était libre et il n'y a pas de chiffre.

Quel est le but de se blog?

Bienvenue sur Mentalogicus!

Le principe du blogue est: je me pose des questions et j’essaie d'y répondre au meilleur de mes connaissances. Par exemple, comment faire une tasse dans Blender, comment importer un modèle 3D dans Unity 3D, comment fonctionne la notation tensorielle, etc. Une fois la question posée, je fais la recherche et je publie la réponse que j'ai trouvée. Par cet exercice, j’apprends énormément et vous aussi en lisant se blogue. Ce blogue est donc un peu un cahier de laboratoire de mes expériences.

Je vais me concentrer sur la programmation et la physique et parfois traiter de mathématiques et de sciences. Si vous avez des questions sur ces sujets, vous pouvez me poser la question et j’essaierai d'y répondre.