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Particules et Univers

Le logo de notre institut, l’IN2P3, mentionne ″les deux infinis″, c’est-à-dire la double exploration des mondes de l’infiniment petit et de l’infiniment grand, et la connexion entre ces deux mondes. En effet, depuis quelques dizaines d’années seulement, ces domaines respectifs des particules élémentaires et de la cosmologie sont étroitement associés et bénéficient des retombées des expériences auprès des accélérateurs ou dans l’observation du ciel ; dans le deuxième cas, on parle d’astroparticules. Deux grands modèles théoriques rendent compte des résultats expérimentaux : le Modèle Standard des particules élémentaires et le Modèle Standard du Big Bang pour le scénario cosmologique. Malgré leurs succès, ces deux modèles ont de grandes zones d’ombre dont l’élucidation requiert toujours plus d’observations. Plusieurs équipes du LPC participe activement à ces recherches via les analyses des expériences en cours, les évolutions de ces expériences et la préparation de nouvelles.

Présentation

Des particules élémentaires à l’infiniment grand

Les progrès des connaissances sur les particules élémentaires qui constituent, d’une part, toute matière de notre Univers et, d’autre part sont les médiatrices des interactions fondamentales, s’interprètent actuellement dans le cadre d’une théorie dénommée le Modèle Standard des particules élémentaires. Les recherches expérimentales consistent à tester avec la plus grande précision possible ce modèle et à y rechercher les failles. En effet, extrêmement prédictif, ce modèle n’est qu’une approximation à ″basse énergie″ de théories plus complètes qui ne sont pas encore validées par l’expérience. Le collisionneur de particules LHC (Large Hadron Collider) du CERN est l’instrument le plus performant pour tester, en laboratoire, les prévisions du Modèle Standard et aller, au-delà, à la recherche d’une "nouvelle physique" prévue par des théories plus générales ou totalement imprévues. Il existe une autre façon de progresser : observer le ciel en détectant non seulement de la lumière (des photons) mais aussi d’autres particules cosmiques, les astroparticules, grâce à des détecteurs embarqués dans des satellites, ou sur terre... ou au fond de la mer. Ces observations s’interprètent dans le cadre général du Big Bang, qui est le Modèle Standard de la cosmologie.

Il y a de fortes connexions entre ces deux approches, puisque les expériences auprès du LHC devraient permettre de reproduire des conditions physiques très proches de l’instant primordial non accessibles à l’observation du ciel et même de créer des particules que prévoit le modèle cosmologique.

Les particules élémentaires

Dans le Modèle Standard des particules élémentaires, celles-ci sont classées en deux catégories : les fermions (les particules de matière) et les bosons (les particules messagères de leurs interactions).
Les fermions se répartissent en trois familles ayant chacune la même organisation : 2 leptons et 2 quarks. La matière ordinaire qui remplit notre Univers peut être construite entièrement à partir des particules de la première famille. Les membres des deux autres familles n’ont eu qu’une existence très éphémère au tout début de l’Univers observable (″notre Univers″), mais peuvent être produites, avec une durée de vie toujours aussi brève, lors de collisions de particules à très haute énergie, de façon naturelle (à partir des rayons cosmiques, par exemple) ou artificielle avec les accélérateurs.
Les bosons sont donc les médiateurs des interactions fondamentales qui sont formalisées dans les théories dites de jauge. Trois d’entre elles relèvent du Modèle Standard : l’interaction électromagnétique avec le photon comme médiateur, l’interaction faible avec les bosons Z° et W± comme médiateurs et l’interaction forte avec 8 gluons médiateurs (Il sera également question de l’interaction forte dans le cadre du pôle ″matière hadronique″). La quatrième interaction n’est pas traitée dans le Modèle Standard : il s’agit de la gravitation dont le boson médiateur serait le graviton.
L’unification des interactions électromagnétique et faible en interaction électrofaible doit traiter, respectivement, des forces à longue et courte portée. Elle fait appel au mécanisme de Brisure Spontanée de Symétrie BSS et au champ scalaire BEH de Brout-Englert-Higgs qui, laissant effectivement sans masse le photon, attribue non seulement une masse aux bosons W et Z, mais plus généralement à toutes les autres particules élémentaires (leptons et quarks) qui se couplent à ce champ. La conséquence directe est un nouveau boson, le boson scalaire BEH, dont la découverte validerait définitivement ce mécanisme.
Les prévisions du Modèle Standard n’ont jamais été mises à défaut jusqu’à présent, exception faite de la découverte de la masse des neutrinos et du niveau de violation de certaines lois d’invariance. Et pourtant, nous savons que cette théorie est incomplète, l’absence de la gravitation en étant un bon exemple. Des théories plus générales ont donc été élaborées : par exemple, la supersymétrie qui établit une symétrie entre fermions et bosons, ou encore la compositivité qui attribue une sous-structure aux particules élémentaires. La "théorie du tout" qui unifierait toutes les interactions est même envisagée, la théorie des branes et des supercordes étant la plus exploitée.

Les astroparticules et la cosmologie

Le Modèle Standard cosmologique communément admis est celui du "Big Bang". Il est conforté par des observations de plus en plus nombreuses, mais n’explique rigoureusement qu’environ 5% de l’Univers observable.
La "matière noire" représente environ 27%, les 68% restants étant attribués à ″l’énergie noire″ responsable de l’expansion accélérée que connait notre Univers depuis environ 5 milliards d’années.
Une particule prévue par la supersymétrie est le meilleur candidat de la matière noire : si cette symétrie existe, cette particule pourrait être créée dans les collisions au LHC, mais la détection d’astroparticules est une autre voie d’observation. Quant à l’énergie noire, de nouvelles informations sont accessibles grâce à des télescopes dédiés.

Les recherches du LPC

Le LPC est présent à presque tous les stades des recherches dans ces deux domaines de l’infiniment petit et de l’infiniment grand. Les expériences sur accélérateurs concernent les équipes D0, auprès du Tévatron arrêté définitivement depuis fin 2011, ATLAS et LHCb, auprès du LHC, et ILC, auprès du futur collisionneur linéaire international. L’exploration du Modèle Standard des particules est poussée très loin, avec notamment la recherche du boson BEH, mais aussi la recherche de nouvelle physique allant au-delà du Modèle Standard.

L’équipe Alice, bien que dédiée aux collisions d’ions lourds, collecte également les données p-p, mais à des impulsions transverses plus basses, ce qui complète celles des autres expériences et lui sert de référence dans de nombreux canaux d’ions lourds.

L’activité des astroparticules, plus récente au LPC, relève principalement de l’équipe Antares, qui détecte des muons cosmiques au fond de la mer et peut en déduire, par exemple, des informations sur la matière noire, et de l’équipe LSST dont le projet de télescope grand champ devrait conduire à améliorer nos connaissances sur la nature de la matière noire et de l’énergie noire.