1 LA PHYSIQUE DES PARTICULES A LA CROISEE DES CHEMINS

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LA PHYSIQUE DES PARTICULES A LA CROISEE DES CHEMINS
Une introduction aux enjeux théoriques du LHC
Etienne KLEIN
DSM/LARSIM
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Mai 2008
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Abstract
La physique des particules est une discipline vieille d’à peine un siècle qui nous
transporte, tels des touristes déroutés et hagards, en des mondes étranges où notre
intuition perd ses marques. Elle constitue aujourd’hui une activité à la fois ambitieuse et
discrète, imposante et mal connue : alors qu’elle a produit des résultats fascinants et
mobilise des moyens dont la taille suffit à impressionner, elle fait rarement parler d’elle.
Elle constitue pourtant une discipline frontière : dans son expression théorique, elle fait
appel à des concepts mathématiques très élaborés, fort éloignés des mathématiques
lycéennes. Dans son versant expérimental, elle se situe toujours à la limite des
possibilités technologiques du moment. Le monde de « l’infiniment petit », souvent
considéré comme impalpable, exige en effet une physique lourde. C’est même le prix à
payer pour espérer le prendre en filature.
Le savoir que les physiciens des particules ont accumulé n’est pas d’accès facile, et il est
de ce fait délicat à transmettre et à enseigner: foisonnant et parfois aride, il garnit les
rayons des bibliothèques des laboratoires, caché derrière des barricades de reliures.
Comment en délivrer les messages les plus importants aux non-physiciens ? Au LARSIM,
avec l’aide de physiciens nucléaires et de physiciens des particules du CEA, théoriciens
aussi bien qu’expérimentateurs, nous avons saisi l’occasion du démarrage prochain, au
CERN, du LHC (à la fin de 2008) pour nous poser cette question. L’enjeu est de taille,
puisque l’on sait d’ores et déjà que grâce à ce nouveau collisionneur de particules, plus
puissant que tous les autres construits auparavant, des découvertes seront
immanquablement faites. Mais à quelles questions ces découvertes viendront-elles
apporter des éléments de réponse ? En d’autres termes, quels sont les enjeux théoriques
des gigantesques expériences qui se préparent ? Telles sont les interrogations que nous
avons voulu expliciter dans ce document, en gardant à l’esprit cette leçon laissée par
James Clerk Maxwell, le père des équations de l’électromagnétisme, il y a plus d’un siècle
et demi : « Tout développement de la science physique, écrivait-il, est susceptible de
produire une modification des méthodes et des concepts généraux de la pensée, en
d’autres termes de féconder la culture, mais à la condition impérieuse que ces nouvelles
idées soient rendues aussi intelligibles que possible. »1
1 Cité par Jacques Bouveresse dans Prodiges et vertiges de l’analogie, Editions Raisons
d’agir, 1999, p.55.

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SOMMAIRE
INTRODUCTION (p. 5)
DE L’INTERET D’ACCELERER DES PARTICULES (p. 9)
E= mc2, là où tout commence
Comment « voir » une particule ?
LES FORCES EN PRESENCE (p. 14)
Quelles sont les interactions « fondamentales » de l’univers ?
- la gravitation
- l’électromagnétisme
- l’interaction nucléaire faible
- l’interaction nucléaire forte
Pourra-t-on « unifier » les forces fondamentales ?
LES PARTICULES MISES EN JEU (p. 23)
Qu’appelle-t-on une particule de « haute » énergie ?
Lors d’une collision, les particules se brisent-elles en plusieurs morceaux ?
Qu’est-ce qu’un lepton ?
Qu’est-ce que l’antimatière ?
Qu’est-ce qu’un quark ? Et un gluon ?
Sur quels principes les détecteurs du LHC fonctionnent-ils ?
LES PARTICULES ET L’UNIVERS (p. 37)
Par quoi les collisions de particules révèlent-elles les débuts de l’univers ?
La question de l’origine de l’univers
LES QUESTIONS OUVERTES EN PHYSIQUE DES PARTICULES (p. 43)
D’où vient que les particules ont une masse ?
Qu’est l’antimatière devenue ?
Existe-t-il des « sparticules » ?
De quoi est faite la matière noire ?
D’où provient l’accélération de l’expansion de l’univers ?

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La « théorie des supercordes » sera-t-elle confirmée au LHC ?
UNE TENTATIVE DE PREVISION DES DECOUVERTES AU LHC (p. 58)
Remerciements
GLOSSAIRE (p. 61)
Bibliographie

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INTRODUCTION
Tout le monde n’a pas le bonheur de parler
chinois dans sa propre langue.
Jacques Lacan
En matière de physique des particules, nous devons nous attendre à des
surprises dans les années qui viennent, notamment grâce aux expériences du
LHC qui exploreront des conditions physiques encore jamais produites sur
Terre. Simple affaire de récurrence : tout au long de son histoire, la physique
des particules a régulièrement détruit des préjugés, démonté des certitudes,
ouvert des perspectives inédites. De ce fait, elle a pu s’incruster dans certains
débats fondamentaux. Il lui est même arrivé de faire des « découvertes
philosophiques négatives »2, au sens où elle a parfois modifié les termes en
lesquels certaines questions se posent à propos de la matière, de l’espace ou
du temps. Ses résultats les plus nets et les plus importants apportent en effet
des contraintes, des conditions aux limites, voire des démentis à des
conceptions métaphysiques qui prétendent décrire de façon trop précise les
lois du monde physique.
Mais qu’est-ce précisément que le LHC, le Large Hadron Collider, qui va
entrer en service à la fin de l’année 2008 ? Tout simplement la plus grande
expérience de physique jamais réalisée. Il s’agit d’un collisionneur de particules
de 27 kilomètres de circonférence, érigé par le CERN de part et d’autre de la
frontière franco-suisse, qui permettra de réaliser des collisions entre protons de
très haute énergie. On devine déjà la prouesse technique que constitue un tel
projet : deux faisceaux de dimensions infimes, parcourant en sens inverse et
2 On doit cette expression à deux des pères fondateurs de la physique quantique, Fritz
London et Edmond Bauer.