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La préhistoire

Dossier - Physique : la saga des particules
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La physique des particules cherche à décrire la matière à l'échelle microscopique à partir d'un petit nombre de constituants élémentaires et de trois interactions fondamentales. De fulgurants progrès ont été accomplis par les chercheurs.

  
DossiersPhysique : la saga des particules
 

La physique des particules trouve ses débuts dans les premières recherches sur la structure de l'atome menées au tournant du XXe siècle. En une trentaine d'années, un pas de géant est franchi. En 1897, J.J. Thomson découvre l'électron, grain de matière de charge négative entrant dans la constitution de l'atome. En 1911, E. Rutherford et ses collaborateurs, H. Geiger et E. Marsden mettent en évidence l'existence d'une charge positive concentrée au cœur des atomes, le noyau atomique. En 1913, la théorie quantique de l'atome voit le jour sous l'impulsion de N. Bohr. En 1919, E. Rutherford identifie un élément constitutif de tous les noyaux atomiques, le proton, et quelques années plus tard, en 1932, J. Chadwick découvre un second élément constitutif des noyaux, proche du proton en masse mais neutre électriquement, le neutron. Les grandes lignes de la structure des atomes sont connues.

A la même époque, de nouveaux horizons s'ouvrent grâce aux progrès de la théorie et de l'investigation expérimentale. En 1931, P. Dirac, travaillant à la théorie quantique de l'électron, prédit l'existence du positron, particule ayant les mêmes caractéristiques que l'électron à l'exception de la charge électrique qui est de signe opposé. Le positron, anti-particule de l'électron est découverte expérimentalement un an plus tard, par C. Anderson à l'aide d'une chambre à brouillard exposée aux rayons cosmiques (Fig. 1).

Fig. 1 : à gauche, l'une des premières chambres à brouillard : la chambre contient un gaz saturé en vapeur ; une particule chargée traversant le milieu ionise le gaz, ce qui provoque la condensation de gouttelettes le long de la trajectoire. A droite, cliché de chambre à brouillard obtenu par C. Anderson : une particule chargée a traversé la chambre de bas en haut, car la trajectoire est plus courbée au-dessus de la plaque de plomb centrale ; vu le sens du champ magnétique, la particule est de charge positive, et sa masse est plus faible que celle d'un proton, qui aurait été arrêté plus tôt. Cette particule est identifiée au positron, e+, anti-particule de l'électron.

Dans les années qui suivent, les rayons cosmiques permettent de découvrir de nombreuses autres particules qui ne rentrent pas dans la composition de la matière ordinaire : le muon, aux caractéristiques proches de celles de l'électron, excepté sa masse plus élevée, est trouvé par C. Anderson et S. Neddermeyer en 1937Dix ans plus tard, le pion est découvert par C. Powell, et les kaons neutres et chargés par G. Rochester et C. Butler (Fig. 2).

Fig. 2 : clichés de chambre à brouillard exposée aux rayons cosmiques. A gauche, désintégration d'un kaon neutre en deux pions chargées, K0 --> π+π- (signée par l'apparition de deux traces en V en-dessous de la plaque centrale). A droite, désintégration d'un kaon chargé en un muon et un neutrino, K± --> μ ± ν (signée par une rupture de pente dans la trace en haut et à droite du cliché) .

C'est à la fin des années 40 que le premier accélérateur de particules de haute énergie entre en scène : il s'agit du cyclotron de Berkeley, à 95 MeV/nucléon ( Rappel : 1 MeV = 106 eV, 1 GeV = 109 eV ; la masse d'un proton est équivalente à une énergie de 1 GeV.) qui permet en 1948  de produire des pions en laboratoire ! Les progrès techniques aidant, les accélérateurs suivants permettent d'aller toujours plus haut en énergie et de révéler des myriades d'autres particules. En parallèle, les détecteurs eux-mêmes deviennent plus performants, passant des chambres à brouillard aux chambres à bulles, de taille de plus en plus grande, puis aux détecteurs entièrement électroniques au début des années 1980, permettant d'affiner les mesures faites sur les particules nouvellement trouvées.

Fig. 3 : charte des découvertes de particules au cours du temps. Seules les 12 particules dont les noms sont entourés sont des constituants élémentaires de la matière. Les autres particules sont dans leur grande majorité des particules de matière composites ou des particules messagères de forces (W,Z)

La Fig.3 résume les découvertes de particules faites au cours du temps : l'explosion à l'avènement des accélérateurs est clairement visible. La majeure partie de ces particules devait par la suite s'avérer composites et seuls 12 constituants de matière peuvent être déclarés élémentaires dans l'état actuel des moyens d'investigation expérimentaux. Il s'agit de six leptons, l'électron, le muon, le tau et les trois neutrinos qui leur sont associés, et de six quarks, appelés up, down, strange, charm, bottom et top. Toutes les autres particules de matière sont des assemblages de quarks (c'est le cas par exemple du proton et du neutron) ou des assemblages de quarks et d'antiquarks (par exemple, les kaons ou les pions).

Au-delà d'une compréhension précise de la structure de la matière, les nouvelles particules révélées par les accélérateurs allaient également permettre de progresser dans la compréhension des interactions fondamentales qui existent à l'échelle microscopique : l'interaction électromagnétique, l'interaction faible et l'interaction forte.

Les progrès dans la compréhension des interactions fondamentales sont allés de pair avec les découvertes de nouvelles particules : en 1930, la théorie quantique de l'électromagnétisme est établie et les tests expérimentaux précis des aspects les plus fins de cette théorie sont réalisés une vingtaine d'années plus tard avec la mise en évidence des déplacements de Lamb et les mesures des moments anormaux pour l'électron et le muon. Bâties sur le même principe, les théories quantiques de l'interaction électrofaible et de l'interaction forte apparaissent dans les années 1970 et 1980, respectivement. Le début des années 1980 voit une première confirmation expérimentale du fait que les trois interactions peuvent être décrites de manière similaire, pas la mise en évidence des messagers des interactions faible et forte. La décennie écoulée aura été l'ère des tests précis des aspects les plus fins de la théorie quantique de l'interaction électrofaible, qui ont conduit à une confirmation expérimentale éclatante de notre description du monde microscopique. Ce sont les résultats les plus marquants de cette période qui seront décrits dans les pages qui suivent.