Notre compréhension de l’Univers est sur le point de changer…
L’atome : fission, fusion et désintégration nucléaire
La matière est constituée d'un ou de plusieurs groupes d'atomes. On crut, pendant fort longtemps, qu'on ne
pouvait pas diviser les atomes. Or, on sait maintenant que cela est possible. Les atomes sont composés d'un noyau central autour duquel gravitent des électrons. Ce noyau est composé de nucléons
(protons et de neutrons).
Le proton a une charge positive comparativement au neutron qui n' a pas de charge électrique. Ce dernier a une masse légèrement supérieure à celle du proton Les nucléons se comportent comme de petites balles dures de 2,5 X 10 -15m de diamètre. Leur masse connue, qui est égale à celle de l'hydrogène, est de 1,6 X 10-27kg, ce qui nous donne la densité exacte.
Comme signalé ci-dessus, le noyau atomique est fait de protons et de neutrons. Ces particules sont elles-mêmes composées de particules encore plus petites appelées quarks. Ces quarks possèdent une charge positive égale à 1/3 ou 2/3 de la charge de l'électron. Les quarks se combinent pour former des protons ou des neutrons. Les quarks n'ont jamais été identifiés comme tels, mais les scientifiques sont convaincus de leur existence.
Fission et fusion
Lorsque des particules atomiques Lorsque le noyau d'un atome lourd éclate, 2 noyaux légers sont formés, libérant également des particules qui s'en échappent à grande vitesse. L'énergie cinétique (de mouvement) de ces particules est énorme. Lorsque ces particules heurtent un corps, leur énergie cinétique se transforme en énergie calorifique. Cette réaction est appelée fission nucléaire, on emploie cette réaction dans les centrales électriques et à des fins destructrices comme la bombe atomique. Pour disposer de cette énergie, il est indispensable de créer une réaction en chaîne dans une matière radioactive. Une réaction en chaîne débute provenant d'un noyau heurtent un autre noyau et le font éclater. Les particules de ce noyau font alors éclater d' autres noyaux et ainsi de suite. Ainsi, lorsqu'un neutron frappe un noyau d'uranium, deux nouveaux noyaux sont formés et deux ou trois neutrons sont libérés. Ces neutrons libérés vont frapper deux ou trois autres noyaux d'uranium et les font éclater, c'est ainsi que se déclenche la réaction en chaîne. Dans une bombe atomique, toute l'énergie de cette réaction est libérée en une fraction de seconde sous forme d'une terrifiante explosion. Pour que cela se produise, il faut que le combustible soit de
l'uranium 235 ou du plutonium 239, car ces deux isotopes, dit fissibles, se brisent sous le choc d' un neutron. La fission des noyaux lourds est une méthode employée pour obtenir de l'énergie nucléaire. La fusion (réunion) des noyaux légers en est une autre. Deux atomes d'hydrogène lourd peuvent se réunir pour former de l'hélium. Ce processus libère une énorme quantité d'énergie. L'énergie ainsi dégagée est supérieure à celle que l'on obtient par la fission. Mais pour que cela se produise, il faut des millions de degrés Celsius. Or, des températures de cet ordre n'existent pas normalement sur la terre. On ne les retrouve que dans les étoiles. Cependant, depuis quelques années, nous avons des moyens pour atteindre cette température. La fission sert à établir les conditions de la fusion dans la bombe à hydrogène. La masse totale d'hélium ainsi formée est inférieure à la masse totale de la matière utilisée. Cette différence massique, appelée défaut de masse, est transformée en énergie. Einstein a démontré qu'une faible masse équivalait à une immense quantité d'énergie.
Désintégration du proton
Commençons d'abord par le plus léger, c'est-à-dire le proton. Un produit possible de la désintégration du proton est l'antimuon. Le muon est une particule semblable, sous bien des aspects, à l'électron : Il a la même charge, mais il est 210 fois plus massif. (Le muon se désintègre en un électron et des neutrinos.) L'antimuon a la même charge que le proton, mais il est neuf fois moins lourd. Un proton peut donc se désintégrer en un antimuon et des particules neutres légères telles que les photons et les neutrinos. Un autre produit possible de la désintégration du proton est le méson, un membre du groupe des particules instables de masse intermédiaire entre celle de l'électron et celle du proton. Les lois de conservation de l' énergie et de la charge permettraient aux protons de se désintégrer par exemple en un méson chargé positivement et un neutrino, ou en un méson neutre et un positron (antiparticules de l'électron).
Le LHC ou le collisionneur de hadrons
Le collisionneur de hadrons (LHC) est un gigantesque instrument
scientifique situé près de Genève, à cheval sur la frontière franco-suisse, à environ 100 mètres sous terre. C’est un accélérateur de particules, avec lequel les physiciens vont étudier les
plus petites particules connues : les composants fondamentaux de la matière. Le LHC va révolutionner notre compréhension du monde, de l’infiniment petit, à l'intérieur des atomes, à
l’infiniment grand de l’Univers.
Deux faisceaux de particules subatomiques de la famille des « hadrons » (des protons ou des ions de plomb) circuleront en sens inverse à l’intérieur de l’accélérateur circulaire, emmagasinant de l’énergie à chaque tour. En faisant entrer en collision frontale les deux faisceaux à une vitesse proche de celle de la lumière et à de très hautes énergies, le LHC va recréer les conditions qui existaient juste après le Big Bang. Des équipes de physiciens du monde entier analyseront les particules issues de ces collisions en utilisant des détecteurs spéciaux.
Il existe de nombreuses théories quant aux résultats de ces collisions. Les physiciens s’attendent en tous cas à une nouvelle ère de physique, apportant de nouvelles connaissances sur le fonctionnement de l’Univers. Pendant des décennies, les physiciens se sont appuyés sur le modèle standard de la physique des particules pour essayer de comprendre les lois fondamentales de la Nature. Mais ce modèle est insuffisant. Les données expérimentales obtenues grâce aux énergies très élevées du LHC permettront de repousser les frontières du savoir, mettant au défi ceux qui cherchent à confirmer les théories actuelles et ceux qui rêvent à de nouveaux paradigmes.
Pourquoi le LHC ?
Quelques questions sans réponse...
Le LHC a été construit pour aider les scientifiques à répondre à certaines questions essentielles de la physique des particules qui restent sans réponse. L’énergie sans précédent qu’il atteindra pourrait même révéler des résultats tout à fait inattendus.
Pendant les dernières décennies, les physiciens ont pu décrire de plus en plus précisément les particules fondamentales qui constituent l’Univers, ainsi que leurs interactions. Cette compréhension de l’Univers constitue le modèle standard de la physique des particules. Or, ce dernier présente des failles et n’explique pas tout. »Pour combler ces lacunes, les scientifiques ont besoin de données expérimentales, et c’est le LHC qui va permettre de franchir la prochaine étape.
D’où vient la masse ? Pourquoi ces minuscules particules ont-elles la masse qui leur est propre ? Pourquoi certaines particules n’en ont-elles pas ? La question fait l'objet de débats. L’explication la plus plausible pourrait être le rôle du boson de Higgs, une particule » essentielle à la cohérence du modèle standard. Théorisée pour la première fois en 1964, cette particule n’a encore jamais été observée.
Les expériences ATLAS et CMS traqueront les signes de cette
particule.
Un problème invisible : de quoi est constitué 96% de l’Univers ?
Tout ce que nous voyons dans l’Univers, des fourmis aux galaxies, est constitué de particules ordinaires. Ces particules sont collectivement appelées matière, et elles forment 4% de l’Univers. On pense que le reste de l’Univers est constitué de matière noire et d’énergie sombre, mais celles-ci sont malheureusement difficiles à détecter et à étudier, si ce n’est à travers les forces gravitationnelles qu’elles exercent. L’exploration de la nature de la matière noire et de l’énergie sombre est l’un des plus grands défis de la physique des particules et de la cosmologie d’aujourd’hui.
Les expériences ATLAS et CMS chercheront des particules super symétriques afin de
tester une hypothèse plausible sur la nature de la matière noire.
Pourquoi n’y a-t-il plus d’antimatière ?
Nous vivons dans un monde fait de matière : tout dans l’Univers, nous y compris, est constitué de matière. L’antimatière est comme la
sœur jumelle de la matière, mais avec une charge électrique opposée. Lors du Big Bang qui a marqué la naissance de l’Univers, matière et antimatière ont normalement été produites en quantités
égales. Cependant, lorsque des particules de matière et d’antimatière se rencontrent, elles s’annihilent mutuellement et se transforment en énergie. D’une façon ou d’une autre, une infime
fraction de matière a dû persister pour former l’Univers dans lequel nous vivons aujourd’hui, et dans lequel il ne subsiste pratiquement pas d’antimatière. Pourquoi la Nature semble-t-elle avoir
une préférence pour la matière au détriment de l’antimatière ?
L’expérience LHCb cherchera les différences entre matière et antimatière et
contribuera à répondre à cette question. De précédentes expériences ont déjà révélé une légère différence de comportement, mais ce qui a été observé jusqu’à présent est loin de suffire à
expliquer l’apparent déséquilibre matière-antimatière dans l’Univers.
Les secrets du Big Bang : à quoi ressemblait la matière dans les premiers instants de l’Univers ? La matière aurait comme point d’origine un cocktail chaud et dense de particules fondamentales, formé une fraction de seconde
après le Big Bang. Les physiciens pensent qu’il y avait à cet instant plus de sortes de particules fondamentales qu’il n’en reste aujourd’hui.
Afin d’étudier les particules qui n’existent plus, l’expérience ALICE utilisera le LHC pour
recréer des conditions similaires à celles qui régnaient juste après le Big Bang. Le détecteur ALICE a été spécialement conçu pour analyser un état particulier de la matière, appelé plasma de
quarks et de gluons, que l’on pense avoir existé juste après la création de l’Univers.
Des mondes cachés : y a-t-il vraiment d’autres dimensions ?
Einstein a démontré que les trois dimensions de l’espace sont liées au temps. Des théories plus récentes proposent l’existence
d’autres dimensions spatiales cachées ; la théorie des cordes, par exemple, postule l’existence de six dimensions spatiales supplémentaires qui n’auraient encore jamais été observées.
Celles-ci pourraient être détectées à de très hautes énergies ; c’est pourquoi les données recueillies par tous les détecteurs seront soigneusement analysées afin de repérer toute trace
d’autres dimensions.
Fonctionnement du LHC
Le LHC, l’accélérateur de particules le plus grand et le plus puissant du monde, est le dernier maillon du complexe d’accélérateurs du CERN. Il consiste en un
anneau de 27 km de circonférence formé d’aimants supraconducteurs et de structures accélératrices qui augmentent l’énergie des particules qui y circulent. À l’intérieur de l’accélérateur,
deux faisceaux de particules circulent à des énergies très élevées et à une vitesse proche de celle de la lumière avant de rentrer en collision l’un avec l’autre. Les faisceaux circulent en sens
opposé, dans des tubes distincts placés sous un vide très poussé (ultravide). Ils sont guidés le long de l’anneau de l’accélérateur par un puissant champ magnétique, généré par des électroaimants
supraconducteurs. Ces derniers sont composés de bobines d’un câble électrique spécial fonctionnant à l'état supraconducteur, c’est-à-dire conduisant l’électricité sans résistance ni perte
d’énergie. Pour cela, les aimants doivent être refroidis à -271°C, une température plus froide que celle de l’espace intersidéral. C’est la raison pour laquelle une grande partie de
l’accélérateur est reliée à un système de distribution d’hélium liquide qui refroidit les aimants ainsi que d’autres systèmes annexes.
Des milliers d’aimants de types et de tailles
différents sont utilisés pour diriger les faisceaux le long de l’accélérateur. Parmi eux, les aimants principaux, dont 1234 aimants dipolaires de 15 m de long utilisés pour courber la
trajectoire des faisceaux, et 392 aimants quadripolaires de 5 à 7 m de long qui concentrent les faisceaux. Juste avant la collision, un autre type d’aimant est utilisé pour “coller” les
particules les unes aux autres, de façon à augmenter les probabilités d’une collision. Ces particules sont si minuscules que les faire entrer en collision revient à lancer deux aiguilles éloignés
de 10 km, l’une contre l’autre !
Tous les
systèmes de contrôle de l’accélérateur et de leur infrastructure technique sont regroupés au Centre de contrôle du CERN. C’est depuis ce Centre que
seront déclenchées les collisions des faisceaux au centre des détecteurs de particules.
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