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.

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 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.