Qui se soucie des particules? Pourquoi les physiciens qui se spécialisent en eux sont-ils si intéressés par eux?
En fait, nous ne nous intéressons pas aux particules seules.
Voici une analogie pour vous: imaginez que vous vous intéressiez aux villes de l'Empire romain et à leur fonctionnement. Pour cette raison, vous pouvez commencer à étudier l'architecture romaine. Vous pourriez être intéressé par la façon dont ils ont construit leurs bâtiments et aqueducs. Ensuite, vous passerez probablement à la fiabilité de leurs arches et fondations, et de celles-ci aux propriétés des briques et du mortier. Mais vous n'êtes pas intéressé par les briques et le mortier - ce n'est qu'un moyen de parvenir à une fin. Vous voulez les considérer comme faisant partie des questions plus générales de la conception et de la construction des bâtiments romains, de leur beauté et de leur fiabilité, qui leur ont permis de survivre des siècles.
La nature est l'architecte le plus fécond et le plus ancien. Nous vivons entourés de beauté et de mystères - chênes et volcans, couchers de soleil et tempêtes, une belle lune et d'innombrables grains de sable sur la plage. Il y a quelques siècles, les scientifiques ont conclu que la diversité de cette architecture peut être mieux comprise si nous supposons que la matière se compose de divers atomes - des «éléments». Ils ont donc commencé à s'intéresser aux atomes, éléments constitutifs «élémentaires» de la nature, comme on les pensait alors.
Mais, il s'est avéré que ce n'était que le début, car il s'est avéré qu'il existe des dizaines de types d'atomes différents, qui diffèrent sérieusement par leurs transformations chimiques et leur capacité à émettre de la lumière. Afin de comprendre la diversité et le comportement des atomes, les scientifiques ont réalisé qu'il s'agissait également de formes d'architecture construites à partir de particules encore plus petites: des électrons entourant le noyau atomique, maintenus intacts en cimentant leurs forces électriques. Et dans les noyaux eux-mêmes, il y a aussi l'architecture, avec des protons et des neutrons maintenus intacts en cimentant leur forte interaction. En cours de route, une autre force a été découverte, une interaction faible, souvent plus destructrice qu'une force créatrice.
La découverte de nouveaux niveaux d'architecture a non seulement permis d'expliquer les processus chimiques élémentaires, ainsi que l'émission et l'absorption de la lumière, mais a également permis de percer d'autres secrets - les principes du fonctionnement des étoiles, la radioactivité, ainsi que l'énorme danger qui se cache dans l'énergie du noyau. L'approche des briques et du ciment est devenue la clé pour percer de nombreux secrets au cours du 20e siècle.
Ceci, bien sûr, est un croquis quasi historique, et non un compte rendu exact de l'histoire. La vraie histoire est plus riche, plus complexe et dépasse mes capacités.
Dans les années 1950, il était connu que les protons et les neutrons des noyaux atomiques avaient de nombreux cousins: d'autres
hadrons avec des noms tels que
pivoines ,
kaons ,
delta baryons ,
ro mesons et autres. Cette complexité était le signe d'une autre architecture. Au début des années 1970, une nouvelle idée est apparue à propos de ces particules comme des objets constitués de
quarks , d'antiquarks et de
gluons , maintenus ensemble par une forte interaction.
Les experts en physique des particules sont des scientifiques qui s'intéressent à l'architecture de la nature au niveau des briques et du ciment, de la fiabilité et de la destructibilité. Quels sont les éléments fondamentaux qui les maintiennent ensemble ou les séparent? Comment organisent-ils et forment-ils la base d'une grande variété de structures que nous observons dans l'univers?
Depuis le début des années 1960, on a progressivement compris que les propriétés du monde dans lequel nous vivons nécessitent la présence d'une substance remplissant l'Univers - un champ non nul, comme nous l'appelons par définition le champ de Higgs - affectant les propriétés de nombreuses particules dans la nature. Sans le champ de Higgs, l'architecture autour de nous s'effondrerait. Comprendre ce qu'est ce domaine et comment il fonctionne est l'un des projets centraux des experts d'aujourd'hui en physique des particules, et la principale justification de la construction du Grand collisionneur de hadrons (LHC). Quels secrets seront révélés au cours de l'étude? Personne ne le sait encore.
Pourquoi alors les physiciens devaient-ils construire un "briseur d'atomes" géant?
Oh, comme je déteste ce terme! Nous ne heurtons pas les atomes, nous heurtons les particules subatomiques: les protons, qui sont 100 000 fois plus petits que les atomes (en rayon), ou les électrons, qui sont 1 000 fois plus petits que les protons! Voilà comment confondre une collision de planètes avec une collision de deux pétroliers ou de deux balles.
D'accord, mesdames, calmez-vous déjà. Alors pourquoi les physiciens devraient-ils heurter des protons ou d'autres particules subatomiques? Est-il possible de faire quelque chose de moins destructeur?
Une analogie est souvent donnée que l'utilisation de collisionneurs (ou, plus précisément, de collisionneurs de particules subatomiques) en physique revient à casser des chronomètres précis dans le but d'étudier leur travail sur les pièces émises par eux. Cette analogie est logique, mais elle ne prend pas en compte quelque chose d'important.
La collision de particules subatomiques d'énergies ultra hautes n'est pas seulement un acte de destruction. C'est, pour la plupart, un acte de création.
C'est une propriété étonnante de la nature - si vous poussez beaucoup d'énergie dans un espace assez petit, des particules peuvent parfois être produites à partir de celui-ci qui n'étaient pas là auparavant. C'est pour cela que nous organisons les collisions de particules de haute énergie. La technologie à compression d'énergie est la seule technologie connue qui permet d'obtenir des particules nouvelles ou extrêmement rares que les gens n'ont pas vues auparavant. Par exemple, nous n'avons aucun autre moyen d'obtenir des particules de Higgs.
Nous ne sommes donc pas intéressés par le choc des garde-temps. Nous en savons déjà beaucoup sur eux - nous comprenons déjà décemment les protons qui entrent en collision dans le LHC. Nous espérons découvrir quelque chose qui n'était pas dans la montre - nous avons déjà étudié les quarks et les gluons, les briques et le ciment à protons avec suffisamment de détails. Nous devons modifier l'analogie. Au contraire, nous poussons l'horloge ensemble dans l'espoir qu'un téléphone cellulaire apparaisse à la suite de l'énergie de collision.
Cela semble assez fou. Mais la nature est étonnante et inhabituelle, et de rares particules lourdes sont créées quotidiennement sur le LHC. C'est pour créer des particules de Higgs, et peut-être d'autres phénomènes inattendus, que nous sacrifions des protons sur l'autel du LHC.