Le monde qui nous entoure et au-delà tout l'Univers sont faits d'une immense diversité de matériaux. Il est, cependant, surprenant de constater que cette grande variété de matière n'est faite que d'un nombre relativement faible de constituants simples.

Toute la matière que nous connaissons actuellement est faite à partir d'une centaine de types d'atomes, chacun d'entre-eux étant fait d'électrons de charge électrique négative en orbite autour d'un noyau chargé positivement.

Le noyau, lui-même, est constitué de nucléons - des protons positifs et des neutrons neutres - chacun étant quelque 2000 fois plus lourd que l'électron. Ainsi l'immense variété de matière de l'Univers est faite à partir de trois particules seulement : l'électron, le proton et le neutron.

Les nucléons sont des particules composites : ils contiennent chacun trois quarks. Les quarks, eux ne semblent pas être formés de particules plus petites, on dit qu'ils sont sans structure. Seuls deux types de quarks, appelés “up” et “down”, sont nécessaires pour construire le proton et le neutron. Comme les quarks, l'électron n'a apparemment pas de structure.

Une autre particule sans structure doit être ajoutée pour compléter le tableau. C'est une particule neutre et très légère (peut-être sans masse), appelée neutrino électronique.

Pour comprendre à quelles dimensions tout cela se situe, essayons de nous imaginer cette page grande comme un terrain de football. Avec ce zoom, les cellules de matière vivante ont la taille d'une tête d'épingle.

Prenons une de ces cellules et agrandissons-la elle-même à la taille d'un terrain de football. A cette échelle, les atomes sont grands comme des têtes d'épingle.

Enfin agrandissons un atome pour en faire un terrain de football, le noyau de l'atome a, maintenant lui-même la taille d'une tête d'épingle.

Seuls l'électron, le neutrino électronique et une paire de quarks “up” et “down” sont nécessaires pour construire toute la matière stable de l'univers. Cependant, ils ne suffiraient pas pour bâtir l'Univers. Les processus de haute énergie se produisant naturellement dans l'univers, et ceux générés artificiellement dans des laboratoires produisent une grande variété de particules à courte durée de vie qui contiennent davantage de quarks, davantage de particules semblables à l'électron et davantage de neutrinos. Ces particules peuvent être regroupées en deux "familles" les quarks et les leptons, les physiciens ont découvert que chaque famille comprenait six membres. Ce sont les particules de matière du Modèle Standard.

QUARKS	up down	charmé étrange	top beau
LEPTONS	électron neutrino électronique	muon neutrino muonique	tau neutrino tau

L'existence de toutes les particules de ce tableau a été observée, à l'exception du neutrino tau, qui échappe encore à nos détecteurs. On a néanmoins des preuves indirectes de son existence.

Restez attentifs, nous vous présenterons plus loin un tableau plus complet des particules élémentaires. Il en manque encore quelques-unes...

En fait, il faut compléter cette classification par un tableau semblable où chaque particule est remplacée par une anti-particule. Cette (anti-)matière n'est pas ordinaire : on n'en trouve pas sur Terre, ni dans le système solaire, ni même probablement dans la galaxie. On sait par contre fabriquer dans des laboratoires des anti électrons et des anti protons en quantité suffisante pour les utiliser dans nos expériences, et pour chaque particule du tableau, on a observé son antiparticule.

Nous connaissons maintenant les "briques" qui construisent l'univers. Il manque encore l'explication de pourquoi et comment ces briques "tiennent" ensemble. C'est le rôle des forces, et des particules qui les portent.

La force de base la plus familière est la force de gravité. Elle maintient nos pieds au sol et les planètes en mouvement autour du soleil. Toutes les particules de matière sont sensibles à l'influence de la gravité, mais à l'échelle des particules individuelles, ses effets sont extrêmement faibles. C'est seulement en présence de grandes quantités de matière comme en nous-mêmes, ou à plus grande échelle dans les planètes, les étoiles et les galaxies, que la gravité domine.

Les effets de l'électricité et du magnétisme sont des manifestations d'une force fondamentale beaucoup plus forte. Lorsque vous peignez vos cheveux, une charge électrique s'accumule sur le peigne, particulièrement par temps sec. Il est alors possible d'attraper de petits morceaux de papier fin à l'aide de ce peigne maintenant capable d'attirer ces morceaux malgré la force de gravité. A plus grande échelle, un aimant soulève des épingles et des clous tandis qu'un gros aimant industriel peut soulever des blocs de métal et même des voitures !

Ces effets sont tous dus à la même force électromagnétique sous-jacente. A la différence de la gravité, cette force peut conduire à des effets d'attraction ou de répulsion. Des charges électriques opposées (positive et négative) et des pôles magnétiques opposés (nord et sud) s'attirent, mais des charges ou des pôles de même type se repoussent.

La force électromagnétique lie les électrons négatifs au noyau positif des atomes, et est à la base des interactions entre atomes qui donnent naissance aux molécules et aux solides et liquides. Enfin, elle est aussi responsable d'effets à plus grande échelle, tels que les tension et friction de surface, qui dépendent des forces agissant sur les atomes à la surface des matériaux.

A notre échelle, on parle de force entre les objets, à l'échelle des particules, on emploie souvent le terme d'interaction.

A l'échelle de la taille du noyau atomique et au-delà, deux forces, qui ne nous sont pas familières, entrent en jeu dans les interactions entre particules de matière de base. Ces forces sont appelées la force faible et la force forte.

La force faible conduit à la désintégration des neutrons et de beaucoup d'autres particules, comme les muons, nombreux dans les rayons cosmiques.

La force faible est aussi responsable de la combustion de l'hydrogène au centre des étoiles, où l'hydrogène, le plus léger des éléments, est converti en hélium, l'élément qui suit dans l'échelle des masses. Le noyau d'hydrogène est simplement composé d'un proton. Au centre dense et très chaud d'une étoile, des noyaux ordinaires d'hydrogène peuvent s'approcher suffisamment les uns des autres pour former un noyau plus lourd, "l'hydrogène lourd" ou deutérium, qui consiste en un proton et un neutron. La première étape de la conversion d'hydrogène en hélium met en jeu la force faible lorsqu'un proton se transforme en neutron.

La force forte est responsable du groupement des quarks au sein des protons, neutrons et autres particules, y compris les pions. Elle empêche également les protons du noyau de s'écarter les uns des autres (ils devraient en effet se repousser puisqu'ils ont tous la même charge positive). Il en est ainsi parce qu'à l'intérieur du noyau, la force forte est environ 100 fois plus intense que la force électromagnétique.

La force forte maintient les quarks au sein des particules plus grosses et il n'est pas possible d'isoler un quark. Ceci est dû au fait qu'à mesure que l'on essaie d'éloigner deux quarks l'un de l'autre, cette force qui les unit devient de plus en plus intense. C'est à l'opposé des effets plus familiers de la gravité et de l'électromagnétisme, pour lesquels les forces s'amenuisent lorsque la distance croît. Ce phénomène est appelé le confinement des quarks.

Les forces de base, ou interactions, entre particules de matière agissent toutes à travers un "vecteur de force", qui est échangé entre les particules qui interagissent. Les interactions entre particules sont un peu comme un jeu de "balle", qui peut amener les particules soit à se rapprocher (force attractive) soit à se repousser (force répulsive).

Chacune des forces de base a son propre vecteur

Les photons, sont les vecteurs de la force électromagnétique. Ils n'ont ni masse, ni charge électrique et peuvent être échangés sur de grandes distances de telle sorte que la force électromagnétique est infinie dans sa portée. La lumière qui vient des étoile, du soleil ou de votre lampe de chevet est "portée" par des photons, de même que les ondes radio captées par un téléviseur.

Les vecteurs de la force faible sont appelés W et Z. Le W est charge électriquement, tandis que le Z est neutre. Ces vecteurs sont massifs, chacun ayant une masse d'environ 100 fois celle du proton. Cela rend leur échange difficile aux basses énergies et ainsi la force faible apparaît comme réellement faible.

Les vecteurs de la force forte sont appelés gluons. Ils n'ont ni charge, ni masse, mais ils ont le pouvoir de maintenir les quarks si fortement groupés qu'il n'a jamais été possible de voir ces derniers en tant que particules individuelles.

Le vecteur de la gravité appelé graviton échappe encore à nos observations.

Les physiciens ont trouvé qu'ils pouvaient décrire la structure et le comportement de la matière dans un cadre théorique appelé le Modèle Standard. Ce modèle inclut toutes les particules connues et les forces à travers lesquelles elles interagissent, à l'exception de la gravité. C'est à l'heure actuelle la meilleure description que nous ayons du monde des quarks et autres particules. Toutefois le Modèle Standard dans sa forme actuelle ne peut pas être le mot de la fin, car il y a encore des pièces manquantes et d'autres défis à relever pour la recherche future.

Les constituants de base à partir desquels nous, et tout le monde qui nous entoure, sommes faits sont extrêmement ténus. Même si vous agrandissiez une de ces minuscules particules mille milliards de fois, elle serait encore plus petite que le point qui termine cette phrase.

Tout comme les avions qui volent à très haute altitude, elles sont invisibles, mais tout comme les avions, dans les conditions appropriées, il est possible de voir la trace qu'elles laissent sur leur passage.

D'abord, il est nécessaire de faire sortir les particules des atomes où elles se cachent habituellement. Pour cela nous utilisons des machines, appelées accélérateurs. Ceci étant fait, nous pouvons suivre leurs traces dans des détecteurs spéciaux, et là ça devient excitant!

Les premières découvertes sur la structure de base de la matière furent faites grâce à des expériences réalisées sur les rayons cosmiques et la radioactivité. Ces expériences faisaient leurs investigations sur les collisions de particules sub-atomiques (c'est-à-dire plus petites qu'un atome) naturellement énergétiques telles que des électrons, des protons et des noyaux atomiques lourds ; les accélérateurs de particules ont depuis lors permis aux physiciens d'explorer des collisions de particules avec un meilleur contrôle des conditions expérimentales, et ont permis la découverte de la plupart des particules de matière et des particules vecteurs de force que nous connaissons aujourdhui.

Le fonctionnement des accélérateurs de particules est basé sur la façon dont les particules se déplacent dans les champs électriques et magnétiques. Les champs électriques peuvent apporter de l'énergie aux particules en les accélérant, tandis que les champs magnétiques courbent leur trajectoire et peuvent les focaliser en faisceaux.

Tous les accélérateurs de particules ont les mêmes composants de base: une source de particules, des champs électriques accélérateurs, des champs magnétiques de guidage et finalement des détecteurs pour observer les particules et leurs collisions. Vous disposez probablement d'au moins un accélérateur de particules à la maison : votre téléviseur a tous les composants de base d'un accélérateur de particules.

Il y a différents types d'accélérateur. Dans les accélérateurs linéaires (linacs), les particules effectuent un trajet en ligne droite passant à travers une succession de régions où règnent des champs électriques qui augmentent leur énergie au fur et à mesure qu'elles avancent. Dans les accélérateurs circulaires (cyclotrons et synchrotrons), les particules sont guidées par des champs magnétiques tout au long d'une trajectoire circulaire. Entre ces régions circulaires des portions linéaires avec un champ électrique accélérateur permet d'augmenter l'énergie des particules à chaque passage.

L'énergie de collision la plus élevée est obtenue en faisant se heurter de plein fouet deux faisceaux de particules. La plupart des collisionneurs de particules sont des machines circulaires dans lesquelles des particules entrent en collision frontale avec leurs antiparticules. Ils exploitent le fait que les particules et leurs antiparticules réagissent de la même façon aux champs électriques et magnétiques pourvu qu'elles circulent dans les directions opposées.

L'étude des particules de base de la matière est un travail de détective. D'abord vous devez suivre les traces laissées par des particules invisibles à l'oeil nu, ensuite vous devez les identifier, et finalement vous devez toutes les mettre ensemble afin de comprendre ce qui s'est passé sur le "lieu de l'action".

Afin de rendre visible la trajectoire des particules, il est nécessaire d'envoyer ces particules à travers un détecteur contenant une substance appropriée. Ce peut être un solide, un liquide ou un gaz. Dans un détecteur utilisé au tout début de la recherche en physique des particules, et appelé "chambre à brouillard", des traînées de gouttelettes se formaient tout au long du trajet des particules, comme dans le cas des traînées de vapeur laissées par les avions.

Pour en connaître davantage sur les particules, il est nécessaire de pouvoir différencier les traînées laissées par différents types de particules. Une technique qui peut être utilisée dans ce but est de faire passer les particules à travers un champ magnétique. Les particules avec une charge électrique positive seront déviées dans un sens alors que celles de charge négative seront déviées dans le sens opposé. Les particules elles-mêmes apportent aussi leur coopération car certaines d'entre elles laissent des traces très significatives qui nous permettent de les reconnaître.

Dans une chambre à bulles, par exemple, où les particules laissent des traînées de petites bulles dans un liquide, nous reconnaissons les électrons qui produisent de magnifiques boucles et des traces avec des branches, très différentes de celles laissées par les autres particules.

La plupart des détecteurs de particules modernes ne rendent pas les traces de particules directement visibles. En fait, ils produisent de faibles signaux électriques dont les valeurs peuvent ensuite être stockées par des ordinateurs. Un logiciel permet la reconstruction de l'ensemble des traces enregistrées par le détecteur, et leur affichage sur un écran en même temps que les informations en provenance d'autres types de détecteurs de particules.

Aujourd'hui, les expériences de physique des particules utilisent une variété de détecteurs, chacun étant spécialisé et apportant son aide à l'identification et aux mesures des particules. Près du point de collision, les détecteurs de trace révèlent le chemin qu'ont pris les particules lorsqu'elles s'éloignent.

Un champ magnétique est souvent utilisé pour courber la trajectoire des particules et permettre la mesure de leur impulsion (combinaison de la vitesse et de l'énergie). Le degré de courbure est fonction de l'impulsion de la particule : des particules avec des impulsions très élevées se propagent pratiquement en ligne droite, des particules à faible impulsion effectuent des spirales serrées.

D'autres détecteurs permettent de mesurer l'énergie des particules en les freinant ou en les stoppant. Différents types de ces détecteurs sont nécessaires pour les électrons et les photons, d'une part, et pour les particules faites de quarks, d'autre part..

La combinaison des mesures de l'impulsion, de l'énergie et parfois de la vitesse permet l'identification des particules.

Les muons et neutrinos sont les seules particules capables de traverser la matière dont sont constitués les détecteurs (en particulier sans y subir de freinage). Aussi, les signaux des détecteurs externes indiquent-ils généralement la présence de muons. Les neutrinos échappent pratiquement toujours aux détecteurs.

A l'origine du temps ...

... les scientifiques croient qu'il y a eu un "Big Bang" (une gigantesque explosion) duquel est né tout ce qu'il y a dans l'Univers. Quinze milliards d'années après, l'Univers est si grand qu'il faudrait à la lumière des millions d'années pour le traverser. Et pourtant, au début, tout était condensé dans un volume minuscule, pas plus gros qu'une puce. Toutes les particules qui constituent la matière aujourdhui, et à partir desquelles nous-mêmes et tout ce qui nous entoure sommes faits, n'étaient pas encore formées. Les quarks et gluons, qui dans l'univers froid d'aujourd'hui sont confinés au sein des protons et des neutrons, auraient été trop chauds pour pouvoir se grouper. La matière dans cet état est appelée "plasma de quarks et de gluons et des expériences sont faites pour essayer de la recréer.

Les scientifiques pensent que du plasma de quarks et de gluons pourrait encore exister aujourdhui au coeur ce certains astres, des étoiles à neutrons, qui sont si denses qu'un fragment de la taille d'une tête d'épingle pèserait comme un super-pétrolier. Mais, même si du plasma de quarks et de gluons existe encore dans ces étoiles on ne peut pas l'étudier. Aussi, pour comprendre les premiers instants de la vie de l'Univers, les scientifiques doivent-ils créer du plasma de quarks et de gluons en laboratoire. Pour ce faire, ils projettent des ions (atomes auxquels on a retiré des électrons) les uns contre les autres à très haute énergie, entassant protons et neutrons dans l'espoir de les fondre.

Le prochain accélérateur du CERN, le LHC, réalisera entre autres des collisions frontales entre des ions de plomb à des énergies 300 fois plus élevées que dans les expériences faites précédemment. Les physiciens pensent qu'à ces énergies la création de plasma de quarks et de gluons ne sera que de la simple routine et leur permettra ainsi d'étudier ses propriétés en détails.

En fait, que se passe-t-il lorsque du plasma de quarks et de gluons se forme ?

Des ions plomb entrent en collision de plein fouet.

L'énergie au moment de l'impact sera suffisamment élevée pour créer des particules lourdes appelées J-psi, dont le destin dépendra de ce qui se produira après.

Les protons et les neutrons des deux ions plomb vont former une soupe dense de particules.

Si l'énergie est suffisamment élevée, même les quarks et les gluons, normalement confinés au sein des protons et des neutrons, vont s'échapper et ainsi former du plasma de quarks et de gluons. Si cela se réalise, quelques particules J-psis seront détruites mais d'autres particules, des quarks "étrange" seront créés. Des particules, vouées à se désintégrer en paires d'électrons se formeront plus aisément. En mesurant le nombre de J-psis, le nombre de particules contenant des quarks "étranges", et le nombre de paires d'électrons résultant de la collision, les chercheurs parviennent à déterminer si un plasma de quarks et de gluons s'est formé et à étudier son évolution