Une coupe d'ATLASCr&eacute;dits : [popupdefinition id=4563]CERN[/popupdefinition]

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Une coupe d'ATLAS

Le Cern est l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, le plus grand centre de physique des particules du monde. Il est situé de part et d’autre de la frontière franco-suisse, près de Genève.
 Une présentation récente du Cern. © CERN
Explorer la matière
Le Cern est un laboratoire où les scientifiques viennent explorer les constituants de la matière et les forces qui assurent sa cohésion. Le Cern existe avant tout pour fournir aux physiciens les outils dont ils ont besoin :
des accélérateurs, pour porter les particules jusqu’à une vitesse proche de celle de la lumière ;des détecteurs pour observer ces particules.
Il abrite ainsi le PS et le LHC ainsi que d’autres machines servant à traquer la matière noire (comme Cast et le détecteur AMS qu’il pilote à distance) et à sonder les limites de la physique, notamment dans le domaine de l'antimatière avec des antiprotons et des atomes d’antihydrogène.
Fondé en 1954, le Laboratoire a été l’une des premières entreprises communes à l’échelle européenne et il compte maintenant 22 États membres. Il a permis la découverte des bosons W, Z et de Brout-Englert-Higgs. Le Cern est aussi le lieu de naissance du Web.

Cern

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Une vue d'ATLAS en cours de montage.Avec ses 46 m&egrave;tres de longueur, ses 25 m&egrave;tres de hauteur et ses 25 m&egrave;tres de largeur, il est le plus grand d&eacute;tecteur de particules du monde. D'un poids de 7.000 tonnes, Atlas est constitu&eacute; de cent millions de [popupdefinition id=8460]capteurs[/popupdefinition], log&eacute;s notamment dans le calorim&egrave;tre hadronique. Ils mesureront les particules produites lors des collisions proton-proton &agrave; des [popupdefinition id=15884]&eacute;nergies[/popupdefinition] qui pourront &ecirc;tre aussi &eacute;lev&eacute;es que 14 TeV.Cr&eacute;dits : [popupdefinition id=4563]CERN[/popupdefinition]

Une vue d'ATLAS  en cours de montage

Le proton est une des particules subatomiques appelées nucléons. Avec le neutron, il constitue le noyau des atomes. Ce n’est pas une particule élémentaire car elle est constituée de trois particules plus petites appelées quarks. Celles-ci sont liées entre elles par la force nucléaire forte décrite par des équations analogues à celles de l’électromagnétisme. La théorie décrivant cette force est la chromodynamique quantique ou QCD (de l’anglais Quantum ChromoDynamics). Elle prédit l’existence de cousins des photons que l’on appelle des gluons associés aux champs des forces de la QCD.
Le proton est une particule chargée positivement. Cette charge est en valeur absolue identique à celle de l’électron et à celle de son antiparticule chargée négativement, l’antiproton. Les quarks qui constituent le proton, deux quarks up et un quark down portent des charges électriques dont les valeurs sont des fractions de la charge électrique élémentaire du proton et de l’électron.
 Les quarks, les gluons et les nucléons. © CEA Sciences
Les propriétés du proton
La masse du proton est d’environ 938,2721 MeV/c2 en unité d’énergie adaptée à la physique des particules ce qui équivaut à 1,672 649×10-27 kg. Cette masse est très majoritairement due à l’énergie échangée sous forme de gluons entre les quarks et elle ne doit donc presque rien à leurs masses ni à l’existence du boson de Higgs. On peut calculer cette masse avec les équations de la QCD mais cela nécessite des supercalculateurs.
Comme le neutron, l’électron et les quarks, le proton est un fermion portant un moment cinétique intrinsèque, un spin, valant ½ dans l’unité donnée par la constante de Planck. Il fait partie du groupe des hadrons, les particules sensibles aux interactions fortes. Ces forces confinent les quarks dans les protons de sorte qu’on ne peut les observer à l’état de particules libres, ce qui a laissé penser pendant un moment que les protons étaient des particules élémentaires.
Pour autant qu’on le sache, un proton isolé est stable bien que certaines théories dites de Grande Unification, les GUT, prédisent le contraire mais seulement au bout d'un temps extrêmement long. Par contre, certains noyaux peuvent se désintégrer en donnant un neutron, un positron et un neutrino du fait de l’existence de la force nucléaire faible.
Le prix Nobel de physique Ernest Rutherford dans son laboratoire à Montréal en 1905. © McGill University
Origine du nom proton
Le terme « proton » a commencé à être employé couramment dans la littérature scientifique à partir de 1920 suite aux travaux et aux propositions de Rutherford qui avait découvert l’existence du noyau des atomes et démontré ensuite qu’ils contenaient des noyaux d’hydrogène. Or, dès 1815, le chimiste et médecin britannique William Prout avait justement émis l’hypothèse que tous les atomes étaient construits à partir de l’atome d’hydrogène, qu’il avait baptisé d’un nom construit à partir du grec ancien prôtos qui veut dire « premier », en se basant sur le fait que leurs masses semblaient des multiples entiers de la masse de l’atome d’hydrogène. Se souvenant de l’hypothèse de Prout, Rutherford avait donc forgé les noms « proton » et « prouton ». Le premier fut adopté.

Proton

Un senseur (anglicisme pour « capteur ») est un dispositif sensible à un phénomène déterminé et transformant cette grandeur physique en signal (en général électrique).
Dans le domaine spatial, un senseur stellaire est un dispositif optoélectronique servant à l’orientation des satellites.

Senseur

Les physiciens emploient le terme d'énergie pour désigner une capacité à modifier un état ou à produire un travail entraînant un mouvement ou générant un rayonnement électromagnétique – de la lumière, par exemple – ou de la chaleur. Le mot vient d’ailleurs du grec et signifie « force en action ».
Dans le système international, l’énergie s’exprime en joules, mais dans le langage courant, elle s’exprime plus souvent en kilowatt-heure (kWh). Quant à la tonne d’équivalent pétrole (tep), elle permet généralement de comparer les différentes sources d’énergie entre elles.
Il est à noter que, selon le premier principe de la thermodynamique, l’énergie d’un système fermé se conserve.
Pas une mais des énergies
Il existe en fait de nombreuses formes d’énergie. Ainsi, l’énergie cinétique, par exemple, est une forme d’énergie liée au mouvement d’un corps. Elle est proportionnelle au carré de sa vitesse. La combustion, quant à elle, permet de récupérer l’énergie potentielle chimique contenue dans un combustible. Les panneaux solaires captent l’énergie lumineuse pour la transformer en énergie électrique.
Les sources d’énergie
Les énergies sont également parfois classées en fonction de leur source. On peut parler des énergies fossiles – tirées du charbon ou du pétrole, par exemple –, de l’énergie nucléaire – qui provient de réactions nucléaires –, ou encore des énergies renouvelables, qui sont naturellement régénérées comme l’énergie solaire ou l’énergie éolienne.
Énergie primaire, secondaire, finale ou utile
Une autre classification vient du fait que les énergies qui nous sont utiles dans la vie de tous les jours ne sont pas forcément disponibles, prêtes à l’emploi dans la nature. On parle ainsi :
d’énergie primaire quand elle est directement exploitable (le rayonnement solaire, par exemple) ;d’énergie secondaire pour celle obtenue après transformation (l’électricité, par exemple) ;d’énergie finale pour l’ensemble des énergies prêtes à l’emploi, délivrées au consommateur (l’essence disponible à la pompe, etc.) ;d’énergie utile pour celle qui rend réellement service à l’utilisateur (la lumière issue d’une lampe, etc.).

Énergie

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Installation du tube &agrave; ultravide dans ATLASAvec ses 46 m&egrave;tres de longueur, ses 25 m&egrave;tres de hauteur et ses 25 m&egrave;tres de largeur, il est le plus grand d&eacute;tecteur de particules du monde. D'un poids de 7.000 tonnes, Atlas est constitu&eacute; de cent millions de [popupdefinition id=8460]capteurs[/popupdefinition], log&eacute;s notamment dans le calorim&egrave;tre hadronique. Ils mesureront les particules produites lors des collisions proton-proton &agrave; des [popupdefinition id=15884]&eacute;nergies[/popupdefinition] qui pourront &ecirc;tre aussi &eacute;lev&eacute;es que 14 TeV.Cr&eacute;dits : [popupdefinition id=4563]CERN[/popupdefinition]

Installation du tube à ultravide dans ATLAS

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Installation du tube &agrave; ultravide dans ATLAS.Avec ses 46 m&egrave;tres de longueur, ses 25 m&egrave;tres de hauteur et ses 25 m&egrave;tres de largeur, il est le plus grand d&eacute;tecteur de particules du monde. D'un poids de 7.000 tonnes, Atlas est constitu&eacute; de cent millions de [popupdefinition id=8460]capteurs[/popupdefinition], log&eacute;s notamment dans le calorim&egrave;tre hadronique. Ils mesureront les particules produites lors des collisions proton-proton &agrave; des [popupdefinition id=15884]&eacute;nergies[/popupdefinition] qui pourront &ecirc;tre aussi &eacute;lev&eacute;es que 14 TeV.Cr&eacute;dits : [popupdefinition id=4563]CERN[/popupdefinition]

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Un ing&eacute;nieur connecte les photomultiplicateurs de d&eacute;tecteur ECAL de l'exp&eacute;rience LHCb.L'exp&eacute;rience LHCb cherche &agrave; comprendre pourquoi nous vivons dans un [popupdefinition id=15239]Univers[/popupdefinition] qui semble &ecirc;tre constitu&eacute; enti&egrave;rement de [popupdefinition id=15841]mati&egrave;re[/popupdefinition], sans aucune pr&eacute;sence d'[popupdefinition id=4998]antimati&egrave;re[/popupdefinition].L'exp&eacute;rience explorera les diff&eacute;rences entre mati&egrave;re et antimati&egrave;re en &eacute;tudiant un type de particule appel&eacute;e &laquo; [popupdefinition id=73]quark[/popupdefinition] beaut&eacute; &raquo; ou &laquo; quark b &raquo;. Le [popupdefinition id=2552]LHC[/popupdefinition] recr&eacute;era les instants juste apr&egrave;s le [popupdefinition id=858]Big Bang[/popupdefinition], pendant lesquels les paires de [popupdefinition id=10319]quarks[/popupdefinition] b et d'antiquarks b auraient &eacute;t&eacute; produites.Cr&eacute;dits : [popupdefinition id=4563]CERN[/popupdefinition]

Les photomultiplicateurs de LHCb

Le quark étrange est une particule de matière. C’est un des six quarks du modèle standard et on le considère comme élémentaire dans l’état actuel des connaissances. On en parle aussi comme le quark s pour strange en anglais.
Le quark étrange fait partie des six quarks, parmi :
le quark up ;le quark top ;le quark beau ;le quark charmé ;le quark down.
Le quark étrange
Comme ses frères, c’est un fermion de charge électrique fractionnaire, plus précisément -1/3 e. C’est l’un des trois premiers quarks postulés au début des années 1960 indépendamment par Murray Gell-Mann, Yuval Ne'eman et George Zweig pour comprendre et classifier les hadrons connus à l’époque. En l'occurrence, il s'agissait de comprendre les mésons K encore appelés kaons, découverts en 1947. 
Deux des découvreurs de la théorie des quarks. © universe-review
 De nos jours, il fait partie de ce qu’on appelle la seconde génération de particules du modèle standard.
L’existence du quark s n’a commencé à être acceptée qu’à partir des années 1960 et surtout au début des années 1970 lorsque la théorie du confinement des quarks a partiellement expliqué pourquoi on ne voyait jamais de quarks libres mais toujours à l’intérieur des hadrons.

Quark étrange

Terme inventé dans les années 1950 (au cours d'un programme de la BBC) par l'astrophysicien anglais Fred Hoyle pour désigner avec ironie le concept "d'explosion originelle" introduit dans le modèle cosmologique initialement développé dans les années 1920 par l'astrophysicien belge Georges Lemaître et le physicien russe Alexander Friedmann.
 L’Univers, ce concept ultime qui semble comprendre tout ce qui existe et existera, est régi par des lois complexes, dont beaucoup nous échappent. Michel Casse, astrophysicien à l’institut d’Astrophysique de Paris, nous explique ce que l'on sait de son fonctionnement avec des perspectives sur des dimensions et même d'autres Univers qui nous sont invisibles. © Futura-Sciences
Dans le modèle de Friedmann et Lemaître, l'Univers ne semble pas avoir éternellement existé dans le passé et il existe une singularité initiale, qui est souvent décrite maladroitement comme une sorte d'explosion, ce qui inspira Hoyle. Mais la prédiction physique importante de cette première version du modèle est l'existence d'une phase d'expansion de l'Univers, idée qui fut soutenue dès 1929 par les observations de l'américain Edwin Hubble. Dans les années 1940, la description physique précise de cette phase d'expansion débuta réellement, sous l'impulsion de l'américain d'origine russe George Gamow. Celui-ci prédit théoriquement l'existence d'une phase primordiale durant laquelle l'Univers était un objet extrêmement dense, chaud et opaque (prédictions soutenues dès 1965 par l'observation accidentelle du rayonnement cosmologique de fond par les américains Arno Penzias et Robert Wilson). C'est pour décrire de manière provocante ce modèle cosmologique concurrent du sien (le modèle dit "de l'Univers stationnaire") que le terme de Big-Bang fut introduit par Hoyle. 
Alors qu'il ne portait initialement que sur "l'instant 0", le terme Big-Bang est désormais souvent utilisé pour décrire le modèle cosmologique standard actuel dans son intégralité. Ainsi, l'expression "modèle standard du Big-Bang" fait référence à un modèle cosmologique en perpétuelle évolution, mais reposant sur le modèle de Friedmann-Lemaître-Gamow (auquel on ajoute parfois les noms des américains Howard Robertson et Arthur Walker) et incorporant divers autres éléments, telle une phase dite "d'inflation".

Big-Bang

L'antimatière est une forme "miroir" de la matière. Elle a été prédite en 1931 par Paul Dirac à partir de l'équation qu'il a découverte presque par des considérations purement mathématiques et esthétiques en cherchant une forme relativiste pour l'équation de Schrödinger des électrons. 
Il a ainsi associé à chaque particule élémentaire une jumelle quasiment identique si ce n'est une charge opposée et de légères différences dans certains taux de réactions entre particules à hautes énergies. 
Le sujet de l'antimatière est très vaste et l'on se reportera au dossier de Futura-Sciences sur l'antimatière pour en savoir plus.
Les principales particules d'antimatière.
Paul Dirac, prix Nobel, l'un des créateurs de la théorie quantique.

Antimatière

D'une circonférence de 27 kilomètres, le LHC (Large Hadron Collider ou grand collisionneur de hadrons) est le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules du monde. Situé à la frontière franco-suisse, il dépend du Cern. Les premiers faisceaux de particules, des protons, l'ont parcouru le 10 septembre 2008 et les premières collisions se sont produites le 30 mars 2010. Une vidéo extraite du site Du Big Bang au Vivant avec des commentaires de Jean-Pierre Luminet sur le LHC. © Groupe ECP, www.dubigbangauvivant.com/Youtube Des faisceaux de proton (allant à 99.999999 % de la vitesse de la lumière) et même d'ions lourds y circulent lorsqu'il fonctionne. Les objectifs du LHC au niveau de la physique standard sont la détection du boson de Higgs et l'étude du quagma, le plasma de quarks et de gluons produit par collisions d'ions lourds. La détection du Higgs est nécessaire pour valider complètement le modèle standard électrofaible joint à la QCD. Le quagma est un état de la matière hadronique que l'on doit trouver dans certaines étoiles à neutrons et dans les tout premiers instants de l'univers, son étude devrait être faite avec le détecteur Alice.Par contre, au niveau de la physique non standard, les possibilités sont vertigineuses !Les missions du LHCEn premier lieu, c'est la détection des partenaires supersymétriques des particules du modèle standard qui devrait faire l'objet du maximum d'attention, c'est la tâche des détecteur Atlas et CMS. Avec la mise en évidence du Higgs, cela devrait nous donner une clé importante pour la compréhension de la masse des particules de l'univers et peut-être aussi la nature de la matière noire. LHCb devrait pouvoir aussi nous renseigner sur la supersymétrie, mais son objectif principal est de comprendre la violation CP, capitale pour l'élucidation de l'énigme de l'asymétrie matière/antimatière.En second lieu, la mise en évidence de dimensions spatiales supplémentaires, et même la détection de la création de minitrous noirs, avec Atlas et CMS, fait partie des possibilités les plus excitantes. La théorie des cordes pourrait même y trouver une confirmation !Toutefois, sauf surprises, il faudra probablement attendre fin 2012 pour que le LHC collecte un nombre assez grand de données pour pouvoir tester ces théories encore très spéculatives. Quelques chiffres concernant le LHCLe Large Hadron Collider est un collisionneur en forme d’anneau de 27 kilomètres de long situé dans un tunnel à environ 100 mètres sous terre, près de Genève ;L’énergie totale dans le centre de masse sera de 14 TeV (c'est 7 fois plus élevé que le Tevatron du Fermilab) ce qui permettra de rechercher de nouvelles particules massives jusqu'à m ~ 5 TeV ;Luminosité = 1034 cm-2 s-1 (c'est plus de 100 fois plus élevé qu’avec le Tevatron du Fermilab). Cela permet la recherche de processus rares ; La fréquence de révolution est de 11,2 kHz (11.200 fois par seconde).Consommation d'énergie : ~ 120 MW ;Chaque faisceau de protons à pleine intensité sera composé de 2.808 paquets de particules (on parle de « bunches » en anglais) ;Chaque bunche contiendra 1,15 x 1011 protons ;Les bunches sont longs de quelques centimètres mais leur dimension transversale est réduite à 16 microns seulement juste avant collision ;La longueur totale des câbles supraconducteurs nécessaire est d'environ 7.600 kilomètres. Chaque câble étant constitué de filaments, la longueur totale des filaments est de 10 fois la distance de la Terre au Soleil ; Le vide dans lequel circulent les faisceaux de protons est très poussé, seulement 10-10 torr (~ 3 millions molécules/cm3) et ceci afin d'éviter au maximum les collisions avec des molécules de gaz. C'est l'équivalent de la pression à une altitude de 1.000 kilomètres. Rappelons que la pression atmosphérique est de 760 torr ;Les aimants supraconducteurs du LHC sont refroidis à 1,9 Kelvins avec de l'hélium superfluide à la pression atmosphérique.Le LHC va stocker un faisceau d'énergie de 360 mégajoules environ : 2.808 bunches x 1,15 1011 protons d’une énergie de 7 TeV chacun = 2808 x 1,15 x 1011 x 1012 x 7 x 1,602 x 10-19 joules = 362 MJ par faisceau. Cela peut être comparé à :En énergie cinétique :1 petit navire de croisière de 10.000 tonnes se déplaçant à 30 km/h ;450 véhicules de 2 tonnes se déplaçant à 100 km/h.En énergie chimique :L’explosion de 80 kilos de TNT ;La métabolisation de 70 kilos de chocolat (en comptant les calories) ; l'énergie dans le chocolat est libérée un peu plus lentement que dans l’explosion du TNT !En énergie thermique :Ce qu’il faut pour fondre 500 kilos de cuivre ;Ce qu’il faut pour porter 1 mètre cube d'eau à 85 ° C ou encore préparer 1 tonne de thé.Pour en savoir plusAliceAtlasCMSLHC

On désigne par le terme de matière tout ce qui compose les corps qui nous entourent, tout ce qui a une masse et un volume.
Matière organique, matière azotée, etc.
Il existe différentes familles comme :

la matière organique, qui constitue les êtres vivants (animaux ou végétaux) ou morts ;la matière azotée, qui est le résultat de transformations de l’azote, etc.

Les états de la matière
Dans la vie de tous les jours, nous avons affaire à trois états de la matière :

l’état solide ,l’état liquide ;l’état gazeux.
La chimie est la science qui étudie la composition et les transformations de la matière.

Matière baryonique et non baryonique : la matière sombre
Comme son nom le laisse entendre, la matière baryonique est composée de baryons, des particules élémentaires dont les plus connues sont le proton et le neutron.
La matière baryonique, c’est donc la matière ordinaire, que nous connaissons bien, celle qui est constituée d’atomes. La matière non baryonique, comme la fameuse matière sombre, est quant à elle supposée formée de particules exotiques.
Antimatière et antiparticules
On ne trouve de l’antimatière qu’en quantité infime. Elle est constituée d'antiparticules. Si ces dernières entrent en contact avec les particules qui composent la matière, les deux (particules et antiparticules) peuvent s'annihiler. Les antiparticules ont des charges opposées à celles de leurs particules sœurs.

Matière

Un quark est une particule élémentaire sensible à l'interaction forte. Les quarks forment les hadrons. Il existe six sortes de quarks : le quark up (u), le quark down (d), le quark étrange (s), le quark charme (c), le quark bottom (b) et le quark top (t). Le nom quark a été donné à ces particules par Murray Gell-Mann et vient d'une œuvre de James Joyce, Finnegan's Wake. Ce sont des fermions de charge fractionnaire.
On sait aujourd’hui que les nucléons, c'est-à-dire les protons et les neutrons, sont en fait constitués de quarks, ainsi que tous les autres hadrons connus, comme les mésons π et K. Les quarks sont liés entre eux dans les hadrons par l’échange de particules sans masse analogues au photon des forces électromagnétiques, les gluons. Dans les années 1960, cette réalité était loin d’être évidente pour la plupart des physiciens des particules élémentaires.
On savait bien sûr qu’il devait exister des forces nucléaires particulièrement fortes dans les noyaux, puisque les forces électrostatiques répulsives entre les protons devraient les faire exploser. Il fallait aussi expliquer l'existence des neutrons qui, en l’absence de charge électrique, devaient bien être liés aux protons par des forces puissantes mais non électromagnétiques.
Les deux créateurs de la théorie des quarks, Yuval Ne'eman et Murray Gell-Mann au début des années 1960. © universe-review
La QCD, issue de la théorie des quarks de Ne'eman et Gell-Mann
On savait déjà aussi que protons et neutrons n’étaient pas des objets ponctuels, mais leurs structures n’étaient pas mieux comprises que la nature de leurs interactions. Le déluge de particules nouvelles créées en accélérateurs, visiblement sensibles, elles aussi, à des interactions fortes, rendaient les théoriciens de plus en plus perplexes. Beaucoup commençaient à penser que la compréhension des forces nucléaires dépassait les capacités de l’esprit humain et qu’il fallait même renoncer à la théorie quantique relativiste des champs, qui s’était pourtant montrée puissante avec les impressionnants succès de l’électrodynamique quantique, la QED. 
La fin des années 1960 et surtout le début des années 1970 virent pourtant la constitution de la chromodynamique quantique, la QCD, à partir de la théorie des quarks de Yuval Ne'eman et Murray Gell-Mann. Cette théorie quantique des champs relativistes commença rapidement à remporter d’impressionnants succès dans le monde hadronique. Ses créateurs devinrent célèbres, et les noms de Gross, Wilczek, Politzer, Gell-Mann, Ne'eman ou Nambu sont aujourd’hui familiers de tous les étudiants en physique des particules élémentaires.
Toutefois, la QCD reste encore aujourd’hui énigmatique, car si la formulation de ses équations est relativement facile, rétrospectivement bien sûr, leur résolution analytique est une tâche d’une difficulté redoutable. La raison en est simple : les équations de la QCD sont non linéaires, et s'il est possible d’en tirer quelques prédictions physiques en approximant ces équations, on ne sait toujours pas en tirer analytiquement, par exemple, la masse du proton à partir de celles des quarks. On ne sait pas non plus démontrer pourquoi les quarks ne se trouvent jamais à l’état libre dans l’univers, sauf lorsque les hadrons sont soumis à des conditions de température et de pression infernales.

Quark

On regroupe sous le terme d’« univers » l’ensemble de tout ce qui existe. Cet ensemble est régi par un certain nombre de lois.
L’histoire de l’univers commence il y a quelque 13,7 milliards d’années dans une soupe extrêmement dense et chaude. Les lois de la physique telles que nous les connaissons n’ont pas cours au sein de cette soupe. Survient alors une brusque expansion – qui se poursuit encore aujourd’hui, à moindre vitesse – qui donnera naissance aux étoiles, aux galaxies, aux planètes et à tous les autres corps célestes.
Univers : des réponses et des questions
Avec le modèle du Big Bang notamment, la cosmologie, cette science qui étudie l’univers dans l’espace et le temps, a pu répondre à quelques questions concernant son origine et son évolution. Cependant, des questions essentielles sur l'univers sont encore posées : quelle est la taille de l'univers ? Quelle est la nature de la matière noire (ou matière sombre) ?
Avec la découverte de l'expansion de l’univers sont nées d’autres questions : à quelle vitesse cette expansion se produit-elle ? y a-t-il accélération ? ou bien ralentissement ? Futura-Sciences a interrogé Aurélien Barrau, astrophysicien spécialisé en cosmologie et auteur du livre Des univers multiples. © Futura-Sciences
Big Bang et expansion de l'univers
À la question de savoir quel sera le futur de l’univers, la réponse ne semble pas évidente. Plusieurs théories coexistent pour l’instant. Celle du Big Crunch prévoit que l’avenir du cosmos se jouera à l’inverse de ce qu’a été le Big Bang.
Certains pensent plutôt que l’univers subirait à l’infini des phases d’expansion suivies de phases de contraction, selon la théorie connue sous le nom de Big Bounce. Une autre théorie cosmologique, celle du Big Rip, propose un scénario encore différent selon lequel toutes les structures de l’univers finiraient par se disloquer sous l’effet d’une expansion de plus en plus rapide, entraînée par une mystérieuse énergie noire. Quant au Big Freeze, il prévoit que l'expansion de l'univers se poursuivra indéfiniment.

Univers

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[popupdefinition id=3883]Aimants[/popupdefinition] de l'exp&eacute;rience LHCb.L'exp&eacute;rience LHCb cherche &agrave; comprendre pourquoi nous vivons dans un [popupdefinition id=15239]Univers[/popupdefinition] qui semble &ecirc;tre constitu&eacute; enti&egrave;rement de [popupdefinition id=15841]mati&egrave;re[/popupdefinition], sans aucune pr&eacute;sence d'[popupdefinition id=4998]antimati&egrave;re[/popupdefinition].L'exp&eacute;rience explorera les diff&eacute;rences entre mati&egrave;re et antimati&egrave;re en &eacute;tudiant un type de particule appel&eacute;e &laquo; [popupdefinition id=73]quark[/popupdefinition] beaut&eacute; &raquo; ou &laquo; quark b &raquo;. Le [popupdefinition id=2552]LHC[/popupdefinition] recr&eacute;era les instants juste apr&egrave;s le [popupdefinition id=858]Big Bang[/popupdefinition], pendant lesquels les paires de [popupdefinition id=10319]quarks[/popupdefinition] b et d'antiquarks b auraient &eacute;t&eacute; produites.Cr&eacute;dits : [popupdefinition id=4563]CERN[/popupdefinition]

Aimants de l'expérience LHCb

Un aimant est un matériau développant naturellement un champ magnétique et capable d'attirer du fer, le nickel, le cobalt, le chrome.
Un aimant possède un pôle nord et un pôle sud. Les pôles de même nature se repoussent, ceux de natures différentes s'attirent. Les aimants sont donc des dipôles magnétiques, dont les pôles sont inséparables; l'existence d'un monopôle magnétique étant exclue jusqu'à preuve du contraire.
Il existe des aimants naturels (à base d'un minerai de fer, la magnétite) et des aimants artificiels. Parmi les aimants artificiels, on distingue les aimants permanents tels que le barreau aimanté, l'aimant en U, l'aiguille magnétique, et les aimants temporaires tels que les électroaimants. Ces aimants sont constitués de matières ferromagnétiques.

Aimant

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Fermeture en cours du d&eacute;tecteur ALICE.Pour l'exp&eacute;rience ALICE, le [popupdefinition id=2552]LHC[/popupdefinition] fera entrer en collision des ions [popupdefinition id=15373]plomb[/popupdefinition] afin de recr&eacute;er en laboratoire les conditions qui r&eacute;gnaient juste apr&egrave;s le [popupdefinition id=858]Big Bang[/popupdefinition]. Les donn&eacute;es obtenues permettront d'&eacute;tudier l'&eacute;volution de la [popupdefinition id=15841]mati&egrave;re[/popupdefinition] de la naissance de l'[popupdefinition id=15239]Univers[/popupdefinition] &agrave; nos jours.Cr&eacute;dits : [popupdefinition id=4563]CERN[/popupdefinition]

Fermeture en cours du détecteur ALICE

Élément toxique pour l’Homme, le plomb était l’un des matériaux que les alchimistes essayaient de transformer en or au Moyen Âge.
Généralités
Symbole : PbNuméro atomique : 82Électrons par niveau d’énergie : 2, 8, 18, 32, 18, 4Masse atomique : 207,2 uIsotopes les plus stables : 208Pb avec une demi-vie supérieure à 2 x 1019 années (52,4 %), 206Pb stable avec 124 neutrons (24,1 %), 207Pb stable avec 125 neutrons (22,1 %)Série : métaux pauvresGroupe, période, bloc : 14, 6, pDensité : 11,35Point de fusion : 327,46 °CPoint d’ébullition : 1.749 °C
Historique du plomb
Le plomb fait partie des plus anciens métaux découverts et travaillés par l’Homme, et ce depuis la Préhistoire. Sa toxicité, elle, est connue depuis l’Antiquité. Ce qui n’a pas empêché son utilisation, sans doute favorisée par une extraction aisée.
&amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;lt;br&amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;gt;L’or est un métal qui, à l’état naturel, est considéré comme rare. Mais serait-il possible d’en créer artificiellement à partir de plomb ou de mercure par exemple ? Unisciel et l’université de Lille 1 on exploré la question au cours de cet épisode de Kézako. 
Propriétés du plomb
Le plomb apparaît comme un métal gris et bleuâtre. Quand il s’oxyde, il prend une teinte blanche. Ce métal est malléable et conduit moins bien l’électricité que d’autres métaux. Il possède une bonne résistance à la corrosion et réagit facilement avec des composés organiques.
Utilisation du plomb
Actuellement, une grande partie de la production de plomb est consacrée aux électrodes de batteries automobiles et aux munitions. Sa grande densité en fait un matériau de choix pour les poids de toutes sortes. Dans l’industrie nucléaire, il est employé sous forme de briques ou de verre au plomb en tant que bouclier contre les radiations. L’ajout de composés du plomb permet d’obtenir des teintes rouges ou jaunes dans les céramiques. Le plomb est aussi très répandu dans les sculptures et dans le secteur du bâtiment. Certaines peintures blanches qui contiennent du plomb sont encore utilisées par des artistes.
Toxicité du plomb
Le plomb est classé comme cancérogène probable chez l’Homme depuis une dizaine d’années. Il est toxique chez l’Homme même à faible dose. L’intoxication se caractérise par de l’anémie, une baisse de la qualité auditive et des atteintes rénales, ainsi que par une perte de QI (Quotient intellectuel). L’ensemble des troubles causés par le plomb sont rassemblés sous l’appellation de « saturnisme », Saturne étant la planète à laquelle les alchimistes associaient le plomb.

Plomb

Un ion est une espèce chimique chargée électriquement, un atome ou une molécule ayant gagné ou perdu un ou plusieurs électrons.
Ions monoatomiques et polyatomiques, cations et anions
Les ions peuvent être monoatomiques, s’ils ne sont formés que d’un seul type d’atomes, ou polyatomiques s’ils contiennent des atomes différents.
Une perte d'électron(s) correspond à une charge globale positive : on parle alors de cation.
Un gain d'électron(s) correspond à une charge globale négative : on parle alors d’anion. Les ions polyatomiques sont le plus souvent des anions.
On retrouve la charge électrique d’un ion en exposant, à la fin de sa formule chimique. Ainsi, par exemple, l’ion sulfate se note SO42- et l’ion sodium Na+.
Le sel de table contient des ions sodium et des ions chlorure. © HandmadePictures, Shutterstock
Composés ioniques
Les composés ioniques sont des solides constitués de plusieurs ions – anions et cations – reliés entre eux par des liaisons chimiques appelées « liaisons ioniques ». Ainsi le sel de cuisine – ou chlorure de sodium – est un composé ionique de formule NaCl. Il est formé d’anions chlorure (Cl-) et de cations sodium (Na+).
Solutions ioniques
Les solutions ioniques sont des liquides, de charge électrique globalement neutre, constitués de plusieurs ions – anions et cations – comme la solution de chlorure de fer II, formée d’anions chlorure (Cl-) et de cations fer II (Fe2+).

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La caverne d'Alice.Pour l'exp&eacute;rience ALICE, le [popupdefinition id=2552]LHC[/popupdefinition] fera entrer en collision des ions [popupdefinition id=15373]plomb[/popupdefinition] afin de recr&eacute;er en laboratoire les conditions qui r&eacute;gnaient juste apr&egrave;s le [popupdefinition id=858]Big Bang[/popupdefinition]. Les donn&eacute;es obtenues permettront d'&eacute;tudier l'&eacute;volution de la [popupdefinition id=15841]mati&egrave;re[/popupdefinition] de la naissance de l'[popupdefinition id=15239]Univers[/popupdefinition] &agrave; nos jours.Cr&eacute;dits : [popupdefinition id=4563]CERN[/popupdefinition]

La caverne d'Alice

On regroupe sous le terme d’« univers » l’ensemble de tout ce qui existe. Cet ensemble est régi par un certain nombre de lois.
L’histoire de l’univers commence il y a quelque 13,7 milliards d’années ...

Le Cern est l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, le plus grand centre de physique des particules du monde. Il est situé de part et d’autre de la frontière franco-suisse, près de Genè...

On désigne par le terme de matière tout ce qui compose les corps qui nous entourent, tout ce qui a une masse et un volume.
Matière organique, matière azotée, etc.
Il existe différentes familles comm...

D'une circonférence de 27 kilomètres, le LHC (Large Hadron Collider ou grand collisionneur de hadrons) est le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules du monde. Situé à la frontière f...

Élément toxique pour l’Homme, le plomb était l’un des matériaux que les alchimistes essayaient de transformer en or au Moyen Âge.
Généralités
Symbole : PbNuméro atomique : 82Électrons par niveau d’é...

Terme inventé dans les années 1950 (au cours d'un programme de la BBC) par l'astrophysicien anglais Fred Hoyle pour désigner avec ironie le concept "d'explosion originelle" introduit dans le modèle co...

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[popupbiographie id=1235]Peter Higgs[/popupbiographie] devant le d&eacute;tecteur CMS en cours de montage.Le d&eacute;tecteur CMS (Compact [popupdefinition id=3497]Muon[/popupdefinition] Solenoid) est l'un des d&eacute;tecteurs g&eacute;ants principaux qui &eacute;quipent le [popupdefinition id=2552]LHC[/popupdefinition] (Large [popupdefinition id=3493]Hadron[/popupdefinition] Collider), l'acc&eacute;l&eacute;rateur de particules europ&eacute;en bient&ocirc;t en service. Son but est similaire &agrave; celui d'Atlas : la d&eacute;couverte du tr&egrave;s attendu [popupdefinition id=3494]boson de Higgs[/popupdefinition] et la recherche des particules supersym&eacute;triques. Il est en place depuis le 18 d&eacute;cembre 2007.Cr&eacute;dits : [popupdefinition id=4563]CERN[/popupdefinition]

Peter Higgs devant le détecteur CMS en cours de montage

Notés par le symbole μ-, les muons sont des particules élémentaires appartenant au modèle standard de la physique des particules. Ce dernier, développé au XXe siècle, permet de classer toutes les particules subatomiques connues, avec les trois interactions ayant un effet à l'échelle des particules. Dans ce modèle, plusieurs groupes de particules existent : les muons font partie des leptons. De ce fait, ils ne sont pas sensibles à l'interaction nucléaire forte, qui affecte seulement les quarks et les particules constituées de quarks (les hadrons).Les muons ont presque les mêmes propriétés que les électronsIls sont définis par leurs propriétés intrinsèques : un spin d'1/2, une propriété quantique, qui ne peut prendre que des valeurs entières ou demi-entières. Ainsi, avec un spin d'1/2, les muons appartiennent à la classe des fermions. Ils se caractérisent aussi par leur masse, exprimée en MeV/c² comme pour toutes les particules élémentaires, d'une valeur de 105,66 MeV/c², ce qui leur confère parfois le surnom d'électrons lourds. Car, mis à part leur masse, les muons possèdent les mêmes propriétés que les électrons. Ils sont donc chargés négativement.Découverts par deux physiciens de Caltech (California Institute of Technology) en 1936, ils ont été repérés par leur trajectoire : différente de celle des particules déjà connues, notamment les protons et les neutrons, elle témoignait d'une plus grande masse que l'électron mais d'une même charge électrique ! Les muons sont produits indirectement par les rayons cosmiques : lorsque les particules chargées venant du Soleil arrivent sur Terre, elles entrent en collision avec les atomes de la haute atmosphère. Ces collisions produisent des pions, des particules non élémentaires composées d'un quark et d'un antiquark. Et lorsque les pions chargés se désintègrent, ils émettent des muons ! Les rayons cosmiques créent des particules en cascade : le pion, à l'origine du muon, est noté π (pi) puis 0 1 -1 selon la charge qu'il porte. © CernLes muons permettent scanner des monumentsUne fois créés, les muons ont une faible durée de vie, de l'ordre de deux microsecondes. À la suite de cela, ils se désintègrent souvent en un électron, un neutrino et un antineutrino. Ils interagissent très peu avec l'atmosphère et avancent à une vitesse proche de celle de la lumière, ainsi ils ont le temps pendant leur durée de vie d'effectuer de très grands trajets ! Émis en grande quantité, telle « qu’un volume équivalent à la tête d’une personne est traversé chaque seconde par un muon », explique le Cern, ils permettent grâce à des techniques de tomographie muonique, de cartographier la matière qu'ils traversent.En effet, comme on connait le volume de muons censé arriver sur un détecteur, la différence avec ce qui est directement mesuré permet d'en déduire la quantité de matière traversée par ces particules. Ces techniques ont notamment permis de connaitre l'intérieur de la pyramide de Khéops : avec des détecteurs à muons placés tout autour de la pyramide, des chercheurs ont pu connaitre son architecture interne !

Muon

Peter Higgs est un physicien britannique né en 1929, célèbre pour avoir proposé en 1964 un mécanisme pour expliquer l’origine des masses des particules élémentaires. Ce mécanisme implique l’existence d’un nouveau champ dans la nature, dont les excitations quantiques sont des bosons, des particules observables dans des collisions en accélérateurs.
Peter Higgs et son boson
Le mécanisme dit parfois de Brout-Englert-Higgs avait été découvert indépendamment par deux groupes de chercheurs au même moment, Robert Brout et François Englert d’un côté et Gerald Guralnik, C.-R. Hagen et Tom Kibble de l’autre. Inspiré entre autres par les travaux sur la supraconductivité et la notion de brisure de symétrie explorée à l’époque par le futur prix Nobel Yoichiro Nambu, ce mécanisme fut reprit en 1967 par Steven Weinberg et Abdus Salam pour construire une théorie unifiée des forces éléctromagnétiques et nucléaires faibles.
Il semble que ce soit en partie grâce aux publication de Steven Weinberg que seul le nom de Peter Higgs soit associé au boson du champ utilisé pour donner une masse à d’autres bosons de la théorie électrofaible de Glashow-Salam-Weinberg, les bosons W et Z observés au début des années 1980 au Cern. Le grand physicien théoricien John Ellis a cependant soutenu que ce nom était approprié car il semble bien que Peter Higgs ait été le seul à parler explicitement de nouvelles particules dans son article de 1964.
Une vidéo de présentation de la chasse au boson de Higgs avec le LHC. Le boson de Higgs est le quanta du champ de Higgs. C'est ce champ qui serait à l'origine de la masse des particules élémentaires que sont les quarks, les leptons et les bosons W et Z. © CNRS-Dailymotion
Un boson de Higgs découvert au LHC ?
Le 4 juillet 2012, le Cern a annoncé avoir découvert un nouveau boson dont la masse est d’environ 126 GeV est qui se comporte par bien des façons comme le boson de Peter Higgs. Si cette découverte était confirmée, elle vaudrait probablement au chercheur britannique le prix Nobel de physique. Il a déjà été lauréat en 2004 du fameux prix Wolf qui est considéré comme l’antichambre du Prix Nobel.
Symptomatiquement, comme bien d’autres chercheurs célèbres avant lui, dont de futurs prix Nobel, Peter Higgs a été éduqué à la maison dans sa jeunesse. Il était sujet à des crises d’asthme. Diplômé en physique théorique du célèbre King's College London c’est au Tait Institute of Mathematical Physics à Edimburg qu’il finira par s’établir en 1960. À la retraite depuis 1996, il est toujours professeur émérite de l’université d’Edimburg.

Peter Higgs

Le boson de Higgs est une particule associée au mécanisme de Brout-Englert-Higgs (BEH) à l'origine de la masse des bosons W et Z du modèle électrofaible, et probablement aussi des quarks et des leptons.
Boson de Higgs et origine des masses
Avec le mécanisme de Brout-Englert-Higgs, les physiciens expliquent l’origine des masses des particules élémentaires à partir d’un nouveau champ, dont les bosons de Higgs sont les paquets d’énergie associés aux oscillations, comme les photons le sont au champ électromagnétique. C'est en 1967 que Steven Weinberg et Abdus Salam ont utilisé ce mécanisme pour expliquer la masse de nouveaux bosons qu’ils venaient d’introduire pour unifier les forces électromagnétiques et nucléaires faibles.
Les bosons W sont responsables des processus de radioactivité bêta, qui font briller le Soleil lorsqu’il fabrique de l’hélium et du deutérium. Si ces bosons n’étaient pas massifs, les noyaux se désintégreraient très vite et ne pourraient donc pas exister. Sans le champ de Higgs, les électrons seraient sans masse et ne formeraient pas des atomes. Dans le cadre du modèle standard, on peut ainsi dire que le champ de Higgs est essentiel à l’apparition de la vie sur Terre.
John Ellis, le grand physicien théoricien, répond à ces questions : qu'est-ce que le boson de Higgs, et comment le cherche-t-on ? © CernTV, YouTube
Le champ de Higgs est partout dans l’univers observable. Mais s’il est bien responsable de l’origine de la masse des quarks et des leptons, ce n’est pas lui qui explique la masse des protons et des neutrons, donc l’essentiel de la masse de la matière qui compose notre corps et les étoiles. Il n’existe plus de bosons de Higgs dans le cosmos depuis le Big Bang, à part de façon fugace, comme dans le cas des collisions faites dans les détecteurs géants du LHC.
La découverte du boson de Higgs
Le 4 juillet 2012, le Cern a annoncé avoir découvert un boson dont la masse est d'environ 126 GeV, ressemblant beaucoup au boson de Higgs.
Pierre Fayet, directeur de recherche CNRS au laboratoire de physique théorique de l’ENS à Paris, est spécialiste de physique théorique des particules. Ses travaux ont notamment porté sur la supersymétrie. Il répond à trois questions sur l’apport des physiciens théoriciens dans la découverte du boson de Higgs. © INP, CNRS
En mars 2013, le Cern a finalement déclaré que des analyses plus poussées des données enregistrées par les détecteurs Atlas et CMS menaient à la conclusion qu'il s'agissait bien de la particule associée au champ postulé pendant les années 1960 par Peter Higgs, François Englert, Robert Brout, Gerald Guralnik, Carl Richard Hagen et Thomas Kibble. Ce champ sert à donner une masse aux bosons de jauge des théories de Yang-Mills via le mécanisme de Brout-Englert-Higgs (BEH), que les six chercheurs ont découvert presque en même temps.
Le 8 octobre 2013, Peter Higgs et François Englert seuls reçurent finalement le prix Nobel de physique pour leur découverte du mécanisme BEH, Robert Brout étant décédé. Pour le moment, le comportement du boson de Higgs découvert au LHC ne trahit aucun signe d'une nouvelle physique au-delà du modèle standard.

Boson de Higgs

Les hadrons sont une grande famille de particules composites contenant elle-même plusieurs sous-familles dont les exemples les plus connus sont les nucléons, c’est-à-dire les protons et les neutrons formant les noyaux des atomes.On sait aujourd'hui que les nucléons sont en fait constitués de particules élémentaires (où qui semblent l’être) appelés quarks, ainsi que tous les autres hadrons connus, comme les mésons π et K. Les quarks sont liés entre eux dans les hadrons par l'échange de particules sans masse analogues au photon des forces électromagnétiques, les gluons.On savait dès les années 1930 qu'il devait exister des forces nucléaires particulièrement fortes dans les noyaux entre les nucléons, puisque les forces électrostatiques répulsives entre les protons devraient les faire exploser. Il fallait aussi expliquer l'existence des neutrons qui, en l'absence de charge électrique, devaient bien être liés aux protons par des forces puissantes mais non électromagnétiques.C’est le physicien russe Lev Okun qui, en 1962, a proposé d’appeler hadrons l’ensemble des particules sensibles aux forces nucléaires fortes. Issu du mot grec hadros, qui signifie plus ou moins large et lourd, il s’opposait à la dénomination de lepton, du grec leptos, petit et léger, utilisée pour décrire les électrons et les neutrinos. Ce choix était logique puisqu’un proton ou un neutron sont presque 2.000 fois plus lourds qu’un électron et considérablement plus que les neutrinos.L'une des choses les plus difficiles dans l'apprentissage de la physique des particules est de comprendre tous les différents noms. Il y en a des dizaines et des dizaines et parfois plusieurs noms peuvent s'appliquer à une particule ou un seul nom peut s'appliquer à plusieurs particules. Tout cela est très déroutant. Heureusement, le Dr Don Lincoln du Laboratoire Fermi a réalisé cette vidéo pour vous aider à tout régler. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © FermilabLes hadrons se subdivisent à leur tour en baryons et mésons, les mésons ayant des masses intermédiaires entre celle des baryons et des électrons, les baryons contenant les nucléons et d’autres particules plus lourdes. Le terme baryon vient d’ailleurs du grec barys, qui signifie lourd.C’est aussi pendant les années 1960 que des physiciens comme Murray Gell-Mann et George Zweig ont compris à partir de 1964 que les baryons étaient composés de trois quarks, et les mésons de quarks, plus exactement d’une paire quark-antiquarks. Il faudra attendre le début des années 1970 pour que l’on découvre qu’il existe six sortes de quarks : le quark up (u), le quark down (d), le quark étrange (s), le quark charme (c), le quark bottom (b) et le quark top (t). Le nom quark a été donné à ces particules par Murray Gell-Mann et vient d'une œuvre de James Joyce, Finnegan's Wake. Ce sont des fermions de charge fractionnaire.On dit que les quarks existent sous la forme de six saveurs et ils peuvent porter des sortes de charges électriques que l’on appelle des couleurs, au nombre de trois.Des exemples de baryons, avec trois quarks, et de mésons, avec une paire quark-antiquark. Ces derniers sont notés avec une barre sur la lettre les désignant. © Fschwarzentruber, Wikipédia, cc by sa 4.0Les forces entre les quarks sont portées par des cousins des photons, les gluons, associés à un champ de force nucléaire forte gouverné par des équations décrites par une théorie que l’on appelle la chromodynamique quantique (QCD ou Quantum Chromodynamics, en anglais) et que l’on doit à Harald Fritzsch et Murray Gell-Mann.Le début des années 1960 était une période de grande confusion dans le domaine de la physique des hautes énergies. La mise en service d'accélérateurs puissants après la Seconde Guerre mondiale avait permis aux physiciens de découvrir un zoo de particules nouvelles au comportement étrange, comme les mésons K. On commençait donc à soupçonner fortement que c'est le signe qu'elles ne sont pas élémentaires, comme ce fut le cas avec la découverte des atomes. La théorie des quarks et la QCD ont mis fin à cette confusion et ont permis de comprendre enfin ce zoo contenant des centaines de particules hadroniques et dont l’immense majorité sont instables, se désintégrant très rapidement, ce qui explique que dans la vie de tous les jours, seuls les nucléons sont vraiment observés.La force la plus forte de l'Univers est la force nucléaire forte et elle régit le comportement des quarks et des gluons à l'intérieur des protons et des neutrons. Le nom de la théorie qui régit cette force est la chromodynamique quantique, ou QCD. Dans cette vidéo, le Dr Don Lincoln du Laboratoire Fermi explique les subtilités de cette composante dominante du modèle standard. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © FermilabLes quarks n'existent pas à l'état libre, ou pour le moins dans un état de gaz dilué mais on peut les rendre libres en comprimant et chauffant des nucléons dans de très violentes collisions de noyaux lourds, ce qui produit un quagma, soit un plasma de quarks et de gluons. Si on le compare à un gaz, alors en se refroidissant rapidement par expansion il se forme des sortes de gouttes de liquide, c'est-à-dire les baryons et les mésons. Le fait qu'il n'existe pas de quarks à l'état libre vient du fait que la force nucléaire entre les quarks ne décroît pas avec la distance comme dans le cas de la force électromagnétique mais en fait augmente. En tentant de séparer deux quarks, le champ de gluons entre les quarks devient si intense que de l'énergie est disponible pour former une paire de quarks-antiquarks, par exemple, et au final les quarks s'assemblent rapidement pour former d'autres mésons et baryons.Les hadrons sont en fait des objets compliqués qui dans la majorité des cas ne peuvent pas être compris comme des sortes d'atomes avec des quarks sur des orbites tels les électrons autour des noyaux. Un hadron est en fait un mélange de quarks, antiquarks et gluons apparaissant et disparaissant sans cesse du fait d'effets quantiques autour des quarks constituant ces particules. De fait, des protons et des neutrons doivent leurs masses plus à l'énergie stockée sous la forme du champ de gluons entre les trois quarks constituants qu'aux masses propres des quarks. Si l'on a des raisons de penser que les masses de ces quarks sont déterminées par le champ du fameux boson de Brout-Englert-Higgs, ce champ ne détermine en fait pas la masse des protons ou des autres hadrons.Lev Okun (1929-2015) est un physicien russe dont les travaux sur la physique des particules élémentaires sont bien connus. On lui doit le terme « hadron » désignant toutes les particules composées de quarks et de gluons, comme les nucléons, les mésons et les hypérons. © SLAC, Cern

Hadron

2783_peter-higgs-devant-le-detecteur-cms-en-cours-de-montage

Une coupe du tube o&ugrave; circuleront les faisceaux de [popupdefinition id=238]protons[/popupdefinition] et d'ions [popupdefinition id=15373]plomb[/popupdefinition] au [popupdefinition id=2552]LHC[/popupdefinition] dans un vide 10 fois plus pouss&eacute; que celui sur la [popupdefinition id=2550]Lune[/popupdefinition].Cr&eacute;dits : [popupdefinition id=4563]CERN[/popupdefinition]

Le tube à ultra-vide du LHC

Une lune
Une lune avec un « L » minuscule est le satellite d'une planète. Par exemple Phobos et Deimos sont les deux lunes de la planète Mars.
La Lune
La Lune avec un « L » majuscule est l'unique satellite naturel de la Terre ; elle résulte sans doute d'une collision il y a 4,4 milliards d'années entre notre planète naissante et un petit corps céleste appelé Théia. Les Hommes, qui l'observent depuis longtemps, ont remarqué qu'elle présentait des phases successives qui revenaient tous les 29,53 jours, un cycle appelé lunaison. En étudiant sa surface à l'œil nu puis avec des instruments ils ont découvert qu'elle comportait des zones sombres, les mers, et des zones claires. Les mers sont de grandes plaines de lave solidifiée. Ce magma très fluide est remonté des profondeurs après un intense bombardement de la Lune par des astéroïdes il y a un peu moins de 4 milliards d'années. Les épanchements successifs de lave ont cessé il y a environ 1 milliard d'années. Seules les régions les plus élevées ont échappé à ce remplissage. Ce sont les zones claires où l'on découvre au télescope de très nombreux cratères d'impacts et quelques chaînes de montagnes. Ce scénario a été corroboré par l'analyse des échantillons de roches lunaires rapportées par les différentes missions Apollo entre 1969 et 1972.
On pensait la Lune géologiquement morte et dénuée d'intérêt mais différents orbiteurs ont détecté ces dernières années des réserves d'eau au niveau des pôles lunaires. Cette eau a très certainement été amenée par des comètes et a pu se conserver dans le fond obscur et glacé des cratères.

Lune

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Un technicien raccorde les [popupdefinition id=3883]aimants[/popupdefinition] dipolaires et les tubes &agrave; ultra-vide.Cr&eacute;dits : [popupdefinition id=4563]CERN[/popupdefinition]

Raccordement des éléments du LHC

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Contr&ocirc;le de l'alignement des [popupdefinition id=3883]aimants[/popupdefinition] dipolaires du [popupdefinition id=2552]LHC[/popupdefinition]Cr&eacute;dits : [popupdefinition id=4563]CERN[/popupdefinition]

Contrôle de l'alignement des aimants dipolaires du LHC

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La descente du dernier aimant [popupdefinition id=12240]supraconducteur[/popupdefinition] dipolaire dans le tunnel du [popupdefinition id=2552]LHC[/popupdefinition]Cr&eacute;dits : [popupdefinition id=4563]CERN[/popupdefinition]

Descente du dernier aimant supraconducteur

Les supraconducteurs sont des matériaux qui exhibent le phénomène de la supraconductivité (ou supraconduction), c'est-à-dire l'absence de résistance électrique, en dessous d’une certaine température critique Tc. 
Histoire de la découverte des supraconducteurs
Les premiers supraconducteurs connus à partir de 1911, suite aux travaux du physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes et son équipe, et que l'on nomme communément des supraconducteurs conventionnels, ne le devenaient qu’à des températures très basses, proches du zéro absolu. La résistance électrique du mercure, par exemple, devient nulle en dessous de 4,2 kelvins (K). C’est en 1986 que l’on a découvert les cuprates, les premiers exemples d'autres classes de matériaux, collectivement appelés supraconducteurs non conventionnels. Aujourd’hui, le record pour un supraconducteur à haute température critique reste extrêmement bas comparativement aux températures à la surface de la Terre (le maximum est 133 K, soit -140 °C). Si l’on disposait d’un supraconducteur à température ambiante, on pourrait entre autres transporter de l'électricité sans perte d'énergie et réaliser des Maglev économiques, comme des trains supersoniques dans des tubes sous vide.
Vidéo sur la découverte de la supraconductivité et ses applications. © CNRS Images/INP/Université Paris-Diderot
La théorie BCS
Une théorie complète de la supraconductivité fut proposée en 1957 par John Bardeen, Leon Cooper et John Schrieffer qui reçurent par la suite pour cette découverte le prix Nobel de physique en 1972. Connue comme théorie BCS, d'après leurs initiales, elle permettait de comprendre ce que laissait dans l’ombre une théorie phénoménologique dite de Ginzburg-Landau qui fut élaborée par Lev Landau et Vitali Ginzburg en 1950. La théorie BCS explique la supraconductivité par la formation de paires d'électrons (paires de Cooper) formant alors des bosons interagissant avec des phonons. Ce faisant, le courant électrique peut se comporter d’une certaine façon comme un superfluide.
Mais cette théorie ne fonctionne bien que dans le cas des supraconducteurs conventionnels et semble échouer pour les autres supraconducteurs. Cependant, les avis des théoriciens diffèrent sur ce sujet. On pense que dans le cas de certains supraconducteurs non conventionnels ce sont des interactions magnétiques qui seraient responsables de la formation de paires de Cooper. Plusieurs familles de matériaux sont considérées comme non conventionnelles. Les supraconducteurs organiques ou moléculaires (sels de Bechgaard), les cuprates, ou les pnictures en sont des exemples.

Supraconducteur

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Le tunnel du [popupdefinition id=2552]LHC[/popupdefinition] (27 km de long) et les cavernes des exp&eacute;riences ATLAS, CMS, ALICE et LHCb sont enterr&eacute;s &agrave; 100 m&egrave;tres de profondeurs pr&egrave;s de Gen&egrave;ve.Cr&eacute;dits : [popupdefinition id=4563]CERN[/popupdefinition].

Le tunnel du LHC

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Détecteur du LHC

Accélérateur de particule

LHC : le plus grand accélérateur au monde

Physique

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La matière sombre (dark matter en anglais) est une mystérieuse composante matérielle probablement constituée de particules élémentaires mais en aucun cas de matière normale, c'est-à-dire de protons, neutrons et électrons, et que l’on suppose répartie dans tout l’univers observable. Sans charge électrique et n’interagissant que très faiblement avec la matière normale, elle se signale par son attraction gravitationnelle.
On lui donne plus généralement en français le nom de matière noire ou encore de masse manquante. Il ne faut surtout pas la confondre à l’antimatière dont on sait que la curieuse absence au niveau cosmologique, alors qu’elle devrait être aussi abondante que les particules de matière normale, constitue une énigme toujours irrésolue.
La question de l'existence de la matière noire
On a de nombreuses preuves concordantes de la présence de la matière noire, que ce soit au niveau des galaxies, des amas de galaxies mais également en ce qui concerne la naissance des galaxies via le rayonnement fossile. Ces preuves sont toutefois indirectes. On aimerait pouvoir fabriquer ces particules non baryoniques en accélérateur, les détecter avec des expériences comme Coupp et Picasso ou encore dans l’espace avec AMS.
Quatre-vingt seize pour cent du contenu de l'univers est de nature inconnue. Les mystérieuses matière noire et énergie noire en sont-elles les composantes ? Ou bien est-ce une erreur dans l'équation d'Einstein ? Des questions auxquelles le futur satellite Euclid de l'Esa répondra. Réalisateur : Pierre-François Didek (Karamoja Productions). Directeur de collection : Vincent Minier (Laboratoire AIM Paris-Saclay). © AstrophysiqueTV-Dailymotion
Mais il se pourrait que l’on fasse fausse route et que l’on doive revoir la loi de la gravitation à l’échelle des galaxies et des amas de galaxies. Diverses théories ont été proposées, en particulier celle connue sous le nom de Mond et ses avatars relativistes. 
Si le modèle de la matière noire froide (Cold Dark Matter ou CDM en anglais) semble solide et le plus favorisé par l’expérience, il n’est pas exempt de défauts et certains désaccords entre ses prédictions et la réalité sont connus. Il se pourrait donc bien que les deux théories soient nécessaires pour rendre compte des observations. On ne peut totalement écarter l’hypothèse qu’il faille vraiment se passer de la matière noire et considérer uniquement des théories comme Mond.
Une toute petite partie de la matière noire est à coup sûr composée de neutrinos. Pour le reste, si elle existe bien, on a proposé des minitrous noirs, des particules supersymétriques, l'axion et assez souvent ce qu'on appelle des Wimps.
Découvrez la matière noire dans notre dossier complet.