J’ai dernièrement publié un article sur le CERN, en parlant notamment de l’histoire de son développement et des principaux travaux qui y sont menés. Maintenant je voudrais parler plus spécifiquement de physique. La physique des particules est un sujet complexe et très technique, avec beaucoup de spécificités. J’ai centré cet article sur la physique atomique. En effet comprendre le concept fondamental d’atome est nécessaire pour comprendre la physique des particules et se faire une idée de comment faire ça sans rentrer trop dans les détails. La physique des particules n’existerait pas sans les atomes. Ceci nous donne déjà une première idée de ce que l’on entend par physique des particules : c’est l’étude des objets physiques de taille atomique ou moindre. Au CERN pas question d’étudier la physique des particules de pollen ou de sable.

 

Des atomistes aux physiciens nucléaires

Un concept philosophique

Si l’idée d’atome fait aujourd’hui l’unanimité il faut savoir que ce sont des arguments récents qui appuient la validité de ce concept pour décrire la matière. En effet, l’idée selon laquelle la matière serait constituée de briques élémentaires, les atomes, n’a trouvé de confirmation expérimentale que très récemment, cela ne fait même pas 100 ans à vrai dire. Cependant sur le plan philosophique l’idée d’atome est bien plus vieille mais il faut prendre ce constat avec précaution.

 

On retrouve le concept d’atome notamment chez les grecs anciens aux environs du Vème siècle avant notre ère. Leucippe et Démocrite en sont quelques uns des porteurs les plus connus. Cependant loin d’avoir découverts réellement l’atome, ils ont plutôt déduit ce concept d’interprétations à propos de la matière. Leur argument était relativement simple et convainquant, il ressemble à un raisonnement par l’absurde.

Supposons que l’on puisse diviser un objet en deux parties, rien ne nous empêche ensuite de prendre une de ces parties et de la diviser encore en deux parties. Rien ne nous empêche de prendre une de ces parties pour encore la diviser, ce qui va donner lieu à deux autres parties encore plus réduites que l’on pourra diviser en deux … On constate donc que par divisions successives on a des parties de plus en plus réduites.

Se pose alors la question de savoir jusqu’où on peut aller dans les divisions. Si on peut couper indéfiniment la matière en parties toujours plus petites, alors cela veut dire que la matière est une sorte de tout sans partie constitutive et on a pas besoin des atomes. Mais cette description de la matière comme constituée de choses n’ayant pas de dimension est en contradiction avec l’observation que les objets ont une certaine longueur, une certaine masse. Autrement dit, comment construire un objet de longueur L avec des “briques” de longueur 0 ? Ce paradoxe montre que considérer que la matière est faite de choses infiniment petites est absurde. Pour justifier que les objets aient une étendue, les atomistes ont donc besoin de postuler l’existence des atomes, de ces briques élémentaires que l’on ne peut diviser. La matière était ainsi constituée d’atomes et n’est pas divisible à l’infini, mais c’est ce qui fait son étendue. Mais pour les contredire on pourra toujours s’imaginer que la matière est une sorte de bouillie infiniment dense, à l’image d’un “fluide” bien tassé. Mais qu’est ce qui fait la masse des choses ? Et comment mettre bout à bout des objets pour avoir une certaine longueur, alors que ces objets ont toujours plus la possibilité d’être plus dense et plus dense encore ?

 

Un début de preuve physique

L’idée de l’atome est brillante mais manque nécessairement de preuve expérimentale. Les savants de l’époque se contenteront de dire que les atomes sont trop petits pour être perçus, il s’en suivra que jusqu’au début du XIXème siècle le concept d’atomes de matière sera généralement accepté par les scientifiques mais sans la moindre preuve. Ce sont les travaux de John Dalton (1766 – 1844) qui donneront les premiers éléments en faveur d’une théorie de l’atome.

Premièrement Dalton était capable d’étudier la composition de l’atmosphère et il le fit à plusieurs endroits pour s’assurer de son homogénéité. On savait alors en 1800 que la matière pouvait être constitué de mélanges entre plusieurs composés dits purs (azote, oxygène, eau, dioxyde de carbone …). De là il commença à développer son idée de l’atome. Il fini par comprendre que ces composés dits purs étaient eux-mêmes composés d’éléments, les atomes. Il comprit cela en observant la réaction entre deux gaz : quand deux gaz se mélangent le produit issu de la réaction est toujours présent dans une certaine proportion qui dépend des quantités de matière présentes avant la réaction. Autrement dit à partir d’une certaine masse de réactifs on obtient une certaine masse de produit qui est liée à la quantité de départ. D’autres considérations plus pointues permirent à Dalton de déduire qu’il existait des briques élémentaires, les atomes, et que ces derniers s’assemblaient de différentes manières pour former ce que l’on appelle aujourd’hui les molécules.

Pour bien comprendre son argument imaginons que nous avons du chlore et du sodium en quantités fixes. Si nous les mélangeons nous pouvons fabriquer du sel. On constate alors que la quantité de sel présente correspond au sodium et au chlore qui ont disparu. On peut alors imaginer que le sel s’est formé en utilisant des quantités discrètes, comptables, d’atomes de sodium et de chlore, a qui l’ont peut alors donner une masse. On avait un certain nombre d’éléments au départ et on a toujours le même nombre d’éléments après la formation du sel. Ceci justifie donc physiquement l’existence des atomes, qui peuvent s’arranger d’une manière ou d’une autre.

 

Mais si Dalton avait des arguments en faveurs des atomes personne n’était encore capable d’expliquer ce qu’étaient les atomes, et personne n’était capable d’imaginer qu’ils pouvaient être décrits comme des objets constitués de particules encore plus petites !

 

La constitution de l’atome même

Aujourd’hui nous savons que les atomes sont constitués d’électrons et de protons, particules dont les charges électriques sont responsables de leurs propriétés physique et chimique. Plusieurs séries d’expériences ont conduit à la création du concept physique d’atome tel que nous le connaissons aujourd’hui, les plus importantes étant attribuées à J.J.Thomson (1897) et Rutherford (1911). Autant dire que c’est très récent : à titre de comparaison c’est aussi au début du XXème siècle que naîtrons relativité et mécanique quantique, domaines toujours d’actualité.

L’expérience de Thomson montra que l’on peut retirer à l’atome des charges négatives, que l’on appelle aujourd’hui électron. Ces charges ne peuvent être retirés que jusqu’à un certain nombre. L’atome n’était donc pas indivisible ! On supposa alors que les atomes étaient des sortes de cakes aux raisins, la pâte étant responsable de la charge positive diluée tandis que les raisins représentent les électrons négatifs. Autrement dit les atomes étaient “pleins”, denses.

Mais justement Rutherford montra que le modèle était encore différent. En effet en projetant des particules alpha (noyaux d’Hélium constitués de deux protons et deux neutrons et donc chargés positivement) sur des très fines feuilles d’or, ces particules étaient déviées d’une manière particulière. C’était comme si elles rencontraient des petites sphères massives. Or puisque les particules alpha sont chargées positivement, elles ne peuvent être repoussées que par des particules elles aussi chargées positivement. Rutherford compris alors que dans l’atome les particules positives étaient concentrées et non pas diluées comme dans un cake. Le noyaux était donc né et l’atome précisé dans son ensemble : autour d’un noyau massif chargé positivement, gravitaient des électrons légers chargés négativement. Ainsi beaucoup de vide est présent dans les atomes. Au passage on sait que le noyau est constitué de protons et de neutrons qui se différencie essentiellement du proton par le fait qu’il ne transporte aucune charge électrique.

Ce solide modèle s’est vu confirmé par de nombreuses expériences et un grand nombre de nouvelles considérations se sont ajoutées, nous faisant rentrer dans la physique nucléaire, celle du noyau. Mais je ne veux pas parler de physique nucléaire, ce serait rentrer dans un domaine trop pointu et qui nous éloignerait des considérations générales à propos de l’atome. Le concept d’atome était né et confirmé, c’est le plus important.

 

L’autre concept très important à considérer était la notion de particule, qu’elle soit divisible (noyau) ou non (électron), on acceptait désormais que l’on pouvait décrire les éléments à la manière de particules, qu’il s’agisse d’atomes, de molécules ou de poussière. C’est le concept de petit élément muni de certaines propriétés qui était aussi né. Un seul problème résidera notamment, et de taille : puisque les électrons sont chargés négativement et les protons positivement, pourquoi les électrons ne viennent-ils pas s’écraser sur le noyau ? C’est ce qui est communément admis : lorsque deux charges opposées se rencontrent elles s’attirent. Hélas, aucune explication convaincante ne permet d’expliquer ceci, nous sommes obligés d’accepter cela comme un fait (notons tout de même qu’il est difficile de douter de l’existence de la matière et des atomes). Mais de ce constat naîtra une interprétation qui deviendra un champ à part entière de la physique : la mécanique quantique. Ce point sera le sujet d’autres articles, revenons d’abord sur le sujet des particules et notamment sur la problématique de les détecter.

 

Le problème de la détection

Puisque les particules sont si petites elles sont invisibles à l’œil nu. Peut-on prouver leur existence simplement ? Autrement dit, peut-on les observer ? Et comment ? J’illustrerai ceci avec deux vidéos d’expériences librement exposées aux visiteurs du CERN.

Pour montrer que de telles particules existent on peut tout d’abord utiliser une chambre à brouillard. Un gaz très froid est enfermé dans une enceinte. Lorsqu’une particule traverse le gaz ce dernier se condense le long de la trajectoire de la particule, montrant ainsi son passage. On peut même identifier de quel type de particule il s’agît. Par exemple les grosses traces sont des particules alpha (des noyaux d’hélium qui contiennent deux protons et deux neutrons). Les fines traces sont des électrons : les longues lignes droites indiquent des électrons de haute énergie tandis qu’un électron de faible énergie verra sa trajectoire courbée. Sur la vidéo suivante on voit qu’il y a moins de particules alpha que d’électrons. On voit aussi que les trajectoires des alpha sont beaucoup plus courtes que celles des électrons. Il est difficile de juger de la vitesse des particules. L’apparition d’un gros nuage correspond au déclenchement de la source radioactive émettant les particules.

Une autre manière de voir les particules est d’utiliser une chambre à étincelle. Dans cette chambre des électrodes sont disposées de manière régulière comme une grille. Lorsqu’une particule spécifique traverse la chambre à étincelle elle produit des étincelles, on peut donc la suivre avec la lumière qu’elle émet en passant. Ici le détecteur permet d’observer le passage des rayons cosmiques provenant de l’espace (ce sont principalement des électrons, des positrons et des muons dont je ne parlerai pas mais la famille de particules sub-atomique est très grande). Le détecteur ici présenté dans la vidéo est contenu dans un plan circulaire d’environ un mètre de diamètre.

Ces deux vidéos permettent d’avoir une idée de comment on peut détecter une particule, connaître son énergie et en déduire les réactions qui se sont produites. Le LHC est par exemple muni de nombreux détecteurs, immenses et très massifs, dans le seul but de pouvoir reconstituer ce genre de trajectoire et en déduire ainsi les réactions produites. Il faut bien entendu certains types de détecteurs pour certaines particules et des ordinateurs très puissants car le volume de données est faramineux. De plus certaines particules ne peuvent pas être directement observées, mais on sait identifier leur présence selon l’apparition de certaines réactions. Ainsi indirectement, en reconstituant les réactions nous pouvons identifier certaines particules invisibles. C’est toute la beauté des détecteurs : ou comment trouver un moyen d’observer des choses très compliquées avec assez de fiabilité et de précision.

Maintenant que nous avons une preuve que les particules atomiques existent et sont mesurables, voyons comment nous pouvons les manipuler pour les faire interagir comme bon nous semble dans les accélérateurs. C’était un peu le sujet de cet article en fait, mais normalement après cette longue explication sur l’atome et le rôle des charges électriques portées par des particules, comprendre le reste devrait être un jeu d’enfant (je n’ai jamais su faire un beau coloriage ceci dit) .

 

Traité de manipulation à l’usage des physiciens

Pour manipuler la matière il n’y a pas deux manières de procéder, il faut interagir avec, au moyen de forces. Ces forces sont classés en 4 catégories appelées interactions fondamentales. Ce sont les seuls principes qui font que les choses interagissent entre elles. De ces 4 interactions seule une concerne les atomes. En effet l’interaction gravitationnelle ne concerne que les objets bien massifs, ce qui n’est pas le cas des petits atomes. Les interactions dites fortes et faibles ont lieu à l’échelle sub-atomique, nous avons dit que nous ne rentrerons pas dans ce domaine. Il ne nous reste que l’interaction électromagnétique, dite aussi coulombienne. C’est l’interaction entre les charges électriques. Ça tombe bien puisque les électrons et protons sont munis de charges électriques, on peut donc interagir avec, au moyen de champs électriques et magnétiques. Ces derniers se fabriquent à l’aide de courants électriques, c’est à dire des charges qui circulent.

Mais les atomes sont neutres, en effet dans un atome il y a autant d’électrons que de protons, ce qui égalise les charges. Ainsi de l’extérieur on ne voit aucune charge, impossible de manipuler un atome avec un champ électromagnétique. Mais nous avons dit que l’on pouvait retirer des électrons à un atome. Ça tombe vraiment bien puisque du coup ça permet de déséquilibrer le nombre de charges : il y aura ainsi plus de charges positives que négatives. C’est donc la joie pour les physiciens du CERN qui on su exploiter ce fait. Un atome que vous manipulez en lui ajoutant ou retirant des électrons est appelé un ion. Ceci se produit dans de nombreuses réactions spontanées, mais on peut le faire assez facilement. Par exemple dissoudre du sel dans l’eau produira des ions calcium et sodium. Ainsi pour accélérer un atome enlevez lui des électrons, voire même tous si vous voulez.

Par exemple l’atome d’hydrogène, actuellement utilisé dans le LHC du CERN, est constitué d’un proton et d’un électron. Enlevez-lui son seul électron et vous aurez un ion d’hydrogène H+, ou tout simplement un proton p. C’est pareil ! Et bien ensuite plongez ce proton dans un champ électrique et vous pourrez le balader à votre guise. Si vous n’êtes pas trop jeune et que vous regardiez la télévision sur un écran cathodique vous utilisiez un accélérateur de particule. Sauf que cette fois-ci la particule accélérée était un électron, mais le principe est le même ! Un électron accéléré par un champ. Cependant on ne cherche pas avec une télévision à faire se collisionner des électrons.

LINear ACcelerator
L’intérieur d’un accélérateur linéaire (LINAC). C’est le premier accélérateur que rencontre la particule avant d’être envoyée dans les synchrotrons du CERN.

 

Bon en fait plus l’accélérateur est grand plus c’est compliqué, il faut des conducteurs refroidis, faire le vide, bien ajuster la forme de l’accélérateur … Mais le principe est simple. Le proton est d’abord accéléré dans un accélérateur linéaire, il gagne de la vitesse avec un champ qui le “tracte” comme si un aimant était posé devant lui. Une fois en bout l’accélérateur linéaire on entame la fameuse boucle d’accélérateurs circulaires pour donner de plus en plus d’énergie au proton. Ceci veut aussi dire qu’il est très compliqué de manipuler les particules neutres : le neutron et le neutrino sont donc aussi plus compliqués à observer puisqu’ils n’interagissent pas avec les charges, donc difficilement avec la matière qui est chargée.

 

Nous pouvons voir qu’une fois le principe de l’atome bien compris, on voit que le principe de l’accélérateur de particules n’est pas si mystérieux. En fait c’est même là que réside toute la physique, dans une description adéquate des choses qui permet ensuite une relative simplicité dans la manipulation des concepts et objets. La manière dont on décrit l’atome peut paraître un peu arbitraire et approximative, sortie un peu de nulle part, mais ensuite on voit que l’on peut en faire des choses et obtenir des résultats.

 

Et la lumière ?

C’est là que le sujet des particules devient encore plus intéressant. Nous nous sommes intéressés aux particules constitutives de la matière, mais à la description corpusculaire correspondent peut-être d’autres choses. Et effectivement s’il existe des particules de matière, il existe aussi des particules de lumière. Le photon s’est lui aussi vu créé pour des raisons pratiques à la même époque que l’atome moderne, en 1915 pour être précis. Cependant on ne peut rien construire avec les photons, contrairement avec les atomes de la matière.

Le duel particule vs onde

Enfin pas tout à fait, le concept philosophique d’une lumière constituée de particules est devenu populaire avec Descartes (1596 – 1650) et Newton (1643 – 1727). Ces deux derniers ont favorisé la description corpusculaire pour expliquer la manière dont la lumière était réfléchie et traversait la matière (réfraction). Ceci n’a rien d’étonnant, depuis l’antiquité l’optique est géométrique : on représente le parcours de la lumière par un trait, et pour expliquer la réflexion cette représentation est suffisante. En revanche la réfraction se voit décrite au prix d’une complexification assez importante de la théorie : entre autres la lumière serait constituée de particules qui tourneraient sur elle-même et frotteraient avec le milieu environnant, ceci permettrait d’expliquer en quoi par exemple les prismes créeraient des dégradés de couleur.

Malgré cette complexité cette approche restait plus intuitive que la vision ondulatoire pourtant mise en lumière par Huygens (1629 – 1695). En 1677 il montre que si on considère la lumière comme étant une onde se propageant, on peut retrouver les lois de la réflexion et de la réfraction, et même expliquer encore mieux d’autres phénomènes. Mais il sera éclipsé par le succès de Newton. Néanmoins Fresnel (1788 – 1827) et Young (1773 – 1829) mettrons en évidence des comportements dignes des ondes et plus rapidement on ne doutera plus de la nature ondulatoire de la lumière. Cette vision effacera à son tour le concept de particule de lumière inventé par Newton et Descartes, comme si les deux conceptions étaient incompatibles.

Il aura fallu attendre 1915 pour que la nature corpusculaire de la lumière devienne impossible à nier. C’est Einstein qui réinvente le photon en tant que paquet d’énergie pour expliquer comment une onde électromagnétique peut ioniser un atome. En effet à chaque électron retiré, le photon responsable du retrait de l’électron disparaît en entier, on se retrouve avec l’idée que la lumière est quantifiée, que c’est un effet produit par un grand nombre de particules de lumière. Notons au passage qu’il est intéressant de noter comment les découvertes faites sur l’atome ont influencé la vision moderne de la lumière.

La dualité onde-particule

Einstein postula que la lumière était donc constitué de petits paquets insécables, des atomes de lumière, qui furent nommés photons. Mais là où c’est le plus intéressant c’est que lesdits photons, particules, ont une énergie qui dépend de leur longueur d’onde. Se déplaçant tous à la même vitesse ce serait absurde que l’énergie des photons dépende de leur vitesse : on constate bien que les rayons X sont plus énergétiques que les infrarouges. La seule chose qui change entre ces deux types de photons est la longueur d’onde, cela veut donc dire que leur énergie est proportionnelle à la longueur d’onde du photon, qui n’est reste pas moins un petit paquet d’énergie indivisible. Cependant ce n’est pas parce que c’est une particule que c’est une petite boule, cette représentation n’est qu’une manière simplifiée d’imaginer la chose, il faut l’oublier. Il faut aussi oublier l’idée que l’on ne peut représenter les objets que d’une seule manière. Ça ne veut pas non plus dire que toute représentation se vaut, il y en a des bien meilleures que d’autres, justifiées par des expériences, des résultats et des prédictions plus ou moins précises. Avec le photon on se rend compte que selon le contexte il faut le considérer comme une onde ou une particule.

 

Enfin retenez que si c’est avec la matière que l’on a expérimenté le concept d’atome, il existe en fait de nombreuses particules qui ne sont pas de la matière, le photon étant sans doute la plus célèbre de ces particules. Il y a aussi le neutrino.

 

Et le CERN dans tous ça ?

Si je vous parle de la lumière c’est parce que pour les physiciens c’est important : si connaître la nature de la matière nous aide à la manipuler et l’étudier encore mieux, on ne peut pas non plus se passer des découvertes faites sur le photon et qui se situent dans le même contexte que les expériences sur la matière au début du XXème siècle. En effet si vous voulez observer l’énergie de certaines réactions il faut en fait le faire via des photons émis lors de la réaction. Le CERN utilise la lumière mais en fait énormément d’expériences de physique utilisent le photon. de plus parler concrètement de ce qui se passe au CERN n’aurait de toute façon pas de sens pour quelqu’un qui n’est pas un minimum impliqué dans telle ou telle expérience, il y a tellement de particules, de réactions, d’énergies différentes auxquelles se passent des choses différentes. Ça me dépasse de loin et de toute façon le CERN le fait très bien lui-même. Ce qu’il est important de retenir à propos de la physique des particules c’est qu’elle implique concrètement :

  • La manipulation d’atomes ou particules via des interactions (quand on peut le faire)
  • Chercher à produire les particules qu’on ne sait pas manipuler et les faire réagir tant bien que mal comme on voudrait le faire
  • Détecter et mesurer de nombreux paramètres pour connaître la matière
  • Essayer au mieux de déduire à partir des mesures ce qu’on ne peut pas mesurer directement
  • Employer beaucoup de personnes pour réfléchir à beaucoup de problèmes très techniques qui intéressent peu de monde (court terme)
  • Développer une compréhension globale permettant de produire des résultats efficaces pour la société (long terme)

Un exemple de “résultat efficace pour la société” se trouve être les examens radiologiques. Par exemple lorsqu’un électron et un positron (un électron mais avec une charge positive) s’annihilent ils donnent lieu à l’émission de deux photons. Impossible de développer cette technique sans comprendre la matière et la lumière.

Ceci nous amène à parler d’antimatière. Encore une fois, lorsque l’on a bien compris ce qu’était la matière, les atomes, on peut bien comprendre ce qu’est l’antimatière : il s’agit de particules identiques à ce que l’on appelle matière à l’exception de leur charge électrique, qui est opposée. La matière “classique” c’est celle que l’on croise tous les jours, l’antimatière c’est son alter-ego à qui on a changé la charge électrique. Ce genre de symétrie existe sur beaucoup de plans en physique des particules et le CERN y travaille beaucoup. Pourquoi existe-t-il ce genre de symétrie et pourquoi on vit dans notre monde comme celui que l’on voit et pas dans un autre ? C’est la grande question fondamentale à laquelle essaye de répondre le CERN.

 

Pour finir on pourrait aussi parler de nombreuses choses que l’on comprend mieux depuis que l’on connaît la nature de l’atome et de la lumière : en observant la lumière des étoiles on peut en déduire de nombreuses choses et ainsi mieux connaître notre univers. On peut faire des IRM, des verres polarisés, faire une liste des nutriments et minéraux contenus dans un produit alimentaire. Aussi il serait impossible de charger une batterie avec des panneaux photovoltaïques. Difficilement envisageable de décrire correctement les semi-conducteurs et donc de faire des processeurs …

Tout ceci nous aura donné l’occasion de parler d’énormément de choses. Ceci montre en particulier à quel point il n’est pas facile de parler des choses de manière isolée. Ce que je constate en physique c’est que ce pour définir un objet on a besoin de parler des relations qu’il entretient avec les autres objets physiques. Ceci est un sujet de réflexion très intéressant que je laisse en suspens mais sur lequel j’aimerai pour terminer attirer votre attention. Ici nous avons vu que la connaissance que nous avions de l’atome et de la lumière étaient très liées. Ceci nous montre les rapports qu’atome et photons entretiennent, nous éclaire sur leurs propriétés intrinsèques. Mais il ne faut justement pas oublier que ce que nous connaissons des objets physiques dépend en partie des relations. Si nous découvrons de nouvelles relations, nous ouvrons peut-être le champ à la découverte de nouvelles propriétés. Mais que veut dire nouvelle relation ? Ne s’agît-il pas simplement de l’extension de propriétés que l’on connaît déjà ?

C’est dans la manière de répondre à ces questions que réside toute l’essence du travail de chercheur et où la créativité s’exprime le mieux, ce qui finalement constitue la preuve la plus flagrante d’à quel point elle est importante en sciences, comme dans les autres domaines.

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