Le grand défi du minuscule

Voyage dans le minuscule

L’échelle de la physique des particules est si infinitésimale qu’elle est difficile à concevoir. Supposons qu’un atome ait la taille de la Terre ; les protons et les neutrons qui constituent le noyau de cet atome auraient alors chacun la longueur d’un stade olympique. Les quarks sont encore plus petits. Si nous reprenons notre atome hypothétique aussi grand que la Terre, alors un quark serait plus petit qu'une balle de tennis.

Cependant, cela ne nous donne pas une idée très précise de la taille de l’atome lui-même. Gardons toujours la même analogie en tête, mais inversons les rapports : si l’atome était de la taille de la Terre, alors une amibe serait aussi grosse que notre système solaire. Et la route qui mène du centre de Genève au CERN (environ 10 km) s’étendrait sur toute la Voie lactée.

Par conséquent, les physiciens auront beau plisser les yeux, ils ne verront jamais un quark à l’œil nu. La solution pour étudier le monde subatomique est d’utiliser des accélérateurs pour augmenter l’énergie des particules avant de les faire entrer en collision, puis de rendre les résultats indirectement visibles en utilisant des détecteurs. Mais pour comprendre pourquoi, nous devons nous pencher sur « E » et « m »...

Quand l'énergie devient matière

Imaginez que vous lanciez une balle contre une cible ; vous ne savez pas de quel type de balle il s'agit, mais vous voudriez bien le savoir. En fonction des caractéristiques de la cible percutée, de la vitesse à laquelle la balle a rebondi et de la trajectoire qu’elle a suivie en rebondissant, vous pourriez déduire, par exemple, qu’il s’agissait d’une petite balle en caoutchouc, ou bien d’un boulet de canon. Selon le même principe, l’accélérateur lance des particules à très haute vitesse et énergie, et les détecteurs fournissent des informations sur ces collisions. Les physiciens analysent les résultats de nombreuses collisions pour connaître la nature des particules étudiées, qu’ils ne peuvent pas observer directement.

Dans la pratique, cette tâche est loin d’être facile et nécessite parfois des instruments gigantesques et complexes. Pour ajouter à la difficulté, dans le monde étrange des particules, il suffit d’insuffler à ces « balles » suffisamment d’énergie pour qu’elles se transforment en quelque chose de complètement différent. Cela reviendrait à lancer une balle de ping-pong contre une cible et la voir se transformer en un chargement de pastèques et une poignée de perles... C’est ce phénomène que décrit la célèbre équation d’Einstein E=mc², qui signifie que la matière est une forme très concentrée d’énergie et que les deux sont interchangeables.

Le subatomique, un travail de géant

Plus on met d’énergie dans les particules, plus on peut créer d’« objets » (de la masse) lors d’une collision. Les physiciens des particules s’intéressent aux particules créées dans des collisions à haute énergie, parce que certaines, rares et étranges, peuvent n’apparaître que pendant un instant fugace.

Utiliser des instruments de si grande taille pour examiner des objets si minuscules peut sembler très paradoxal.

L’étude de particules qui n'ont jamais été observées auparavant exige des accélérateurs d'une puissance sans précédent. Il faut donc construire des machines plus puissantes pour accélérer les particules à des énergies plus élevées. L'histoire de la physique des particules est jalonnée d’une succession d'accélérateurs et de détecteurs de plus en plus grands.

Outre les grands accélérateurs, le CERN construit des détecteurs géants pour analyser le résultat des expériences. Des détecteurs polyvalents, tels que ATLAS et CMS, sont conçus pour détecter un éventail de particules aussi large que possible. Leur taille gigantesque s’explique par le besoin d’intercepter toutes les particules énergétiques produites dans les collisions, ainsi que par les moyens techniques utilisés pour les identifier.

Infinitésimal, mais à quel point ?

Les particules sont tellement minuscules que, si l’on devait chiffrer leur taille, il faudrait de nombreux zéros après la virgule. Dès lors, comment les physiciens font-ils pour mesurer la taille des particules ?

En fait, les accélérateurs et les détecteurs peuvent aussi servir de « règles subatomiques ». Si nous voyons les objets, c’est parce que la lumière visible réfléchit leurs surfaces. Si les particules sont invisibles à l’œil nu, c’est parce que leur taille est plus petite qu’une « unité » (longueur d’onde) de lumière visible. Au début du XX^e siècle, on a découvert que les particules en mouvement pouvaient aussi être considérées comme des ondes. Plus intéressant encore, les longueurs d’onde de ces particules en mouvement diminuent à mesure que l’énergie augmente, ce qui signifie que, pour pouvoir observer des détails un milliard de fois plus petits, il faut disposer de particules ayant une énergie un milliard de fois supérieure. Tel est le principe de base de l’utilisation des accélérateurs comme instrument de mesure du monde subatomique.