Le vrai roman des particules élémentaires

De
Publié par

De quoi l'Univers est-il fait? Comment a-t-il débuté et quel est son avenir? Pourquoi existons-nous? Voilà quelques questions que l'Homme s'est toujours posées. Pour tenter de répondre à ces questions, la physique des particules étudie la constitution ultime de la matière et les lois qui régissent les interactions entre objets fondamentaux. Les progrès dans la direction de l'infiniment petit ont franchi les étapes successives de la molécule, de l'atome, du noyau, pour aboutir aux particules élémentaires. Ainsi, au cours du XXème siècle, la physique des particules a connu une évolution phénoménale et l'on distingue aujourd'hui des détails cent million de fois plus fins qu'il y a cent ans. En quelques décennies, la frontière de l'infiniment petit a été repoussée de huit ordres de grandeurs. C'est cette quête pour comprendre la matière que ce livre raconte.
Publié le : mercredi 25 août 2010
Lecture(s) : 10
Licence : Tous droits réservés
EAN13 : 9782100559725
Nombre de pages : 224
Voir plus Voir moins
Cette publication est uniquement disponible à l'achat
5 ETVOICILARELATIVITÉ
Une nouvelle complicat! Nous avons dépeint l’origine deion s’annonce la mécanique quantique qui prend sa source dans des résultats dici lement compréhensibles concernant l’atome, et nous avons illustré un cas où l’indéterminisme de cette théorie est flagrant. Nous y revien drons. Si la mécanique quantique entraîne une première révolution dans nos modes de pensées, la théorie de la relativité d’Einstein en pro voque une autre tout aussi bouleversante. Elle aussi naît avec le début e du XX siècle, en 1905 pour la relativité restreinte (qui traite d’effets n’incluant pas d’accélération), et en 1915 pour sa grande sœur, la rela tivité générale. C’est la théorie reine qui explique la gravitation et qui prend toute son importance pour comprendre l’évolution de l’Univers dans son ensemble. « Lorsque l’Homme avec son pitoyable sens de la relativité regarde dans le télescope et s’émerveille de l’immensité de la création, il entend confesser qu’il a réussi à ramener l’illimité au limité. Il acquiert pour ainsi dire un bail optique sur la grandeur infinie d’une création qui lui est insondable. » Henry Miller Plexus La relativité naît de la constatation que la vitesse de la lumière ne dépend pas du repère dans lequel elle est mesurée. C’est la fameuse expérience d’Albert Michelson et Edward Morley. Les deux physiciens américains cherchèrent à mettre en évidence l’effet d’entraînement de la Terre sur la lumière. En effet, la Terre est en mouvement sur ellemême et autour du Soleil, elle se déplace à envirkm/s. Si la lumièreon 30
se propage dans un milieu associé au Soleil ou à la galaxie, sa vitesse devrait être différente le jour et la nuit, ou selon les saisons. Il n’en est e rien et le résultat laissa perplexes les physiciens de la fin du XIX siècle. La vitesse de la lumière semblait être une grandeur invariable, un para mètre absolu. Pour s’affranchir du nœud gordien, Albert Einstein n’hésite pas à poser que la vitesse de la lumière est une constante immuable de la physique.
Temps de vie propre et relatif La théorie a des conséquences essentielles en physique des particules. En premier lieu, sans elle on ne comprendrait pas certains comporte ments de particules à temps de vie limité. En effet, à part le proton et l’électron, les particules sont pour la plupart très instables : elles sont caractérisées par des temps de vie courts par rapport à notre expérience humaine. Le neutron, s’il n’est pas piégé dans un noyau, se désintègre au bout d’un temps moyen de dix minutes. D’autres durées sont beaucoup plus brèves. Par exemple le muon, dont il sera bientôt question dans les –6 rayons cosmiques, poss. Ce tempssède un temps de vie valant 2,2.10 serait celui mesuré, si on pouvait examiner un échantillon de muons immobiles dans le laboratoire. Mais les muons cosmiques nous arrosent en provenance du ciel. Leur origine est maintenant connue : ils sont engendrés par les rayons cosmiques primaires, essentiellement composés de protons, qui interagissent dès qu’ils pénètrent dans les couches supé rieures de l’atmosphère. Or une particule caracrisée par un temps de –6 vie de 2,2.10 s ne devrait se propager que sur une distance moyenne de 660 mètres. C’est le parcours obtenu avec une vitesse égale à celle de la lumière. Comment les muons peuventils franchir les dizaines de kilo mètres qui caractérisent l’épaisseur de l’atmosphère ? La clef de l’énigme réside dans la dilatation des temps en relati vité. Cette idée semble surprenante parce qu’elle va à l’encontre des notions issues de l’expérience quotidienne. Selon la théorie relativiste, le temps n’existe plus de manière absolue, les horloges tournent diffé remment dans des repères différents en mouvement les uns par rapport aux autres. Ces effets sont bien sûr négligeables dans la vie de tous les jours. Ils ne trouvent leur application que dans les conditions de très
38
grandes vitesses. Grandes par rap? À la vitesse de la lumière,port à quoi la fameuse valeur 300 000 km/s notée c (pour célérité). Il s’agit d’une vitesse extrême permise aux seuls objets de masse strictement nulle, en pratique les photons de lumière ainsi que d’autres objets microsco piques ne portant aucune masse. Mais cette vitesse peut être approchée dans les deux domaines qui nous intéressent ici, ceux de l’infiniment petit et de l’infiniment grand. En effet, une particule élémentaire peut assez facilement être accélérée jusqu’à des vitesses approchant celle de la lumière. À l’autre extrémité du spectre de la connaissance, l’expansion de l’Univers est telle que des galaxies très lointaines nous fuient avec des vitesses également proches de 300 000 km/s. Reprenons le cas du muon. Le temps s’étire différemment dans deux référentiels différents. Le temps de vie inscrit dans les tables s’applique pour un muon au repos. Si le muon est en mouvement par rapport à nous, le temps mesuré par l’observateur immobile sur Terre peut apparaître très allongé. Cette dilatation dépend de l’énergie du muon c’estàdire de sa vitesse par rapport à l’observateur. Si son énergie vaut dix fois sa masse, ce qui n’a rien d’exceptionnel, sa vitesse approche e celle de la lumière à 1/200 près et alors son parcours sera en moyenne 10 fois plus long que les 660 m obtenus par le calcul classique. Le muon aura alors une chance de traverser l’épaisseur de l’atmosphère. La dilatation du temps allonge l’espérance de vie apparente des par ticules, celle observée par l’observateur terrestre, et cela est préciment vérifié grâce aux accérateurs. La relativité freine le passage du temps quand l’objet observé est en mouvement, la théorie agit comme une crème de jouvence. Plus on se déplace rapidement, plus le temps semble s’écouler lentement. De manière parallèle, les objets qui se déplacent semblent plus courts et plus lourds qu’ils n’apparaissent dans leur propre repère.
La masseénergie Mais la relativité a une seconde conséquence fondamentale. Elle explique la possible création d’objets nouveaux par l’identification qu’elle permet entre énergie et masse. C’est la fameuse formule d’Einstein qui asso 2 cie énergie et masse, E =mc , où c indique préciment la vitesse de la lumière. Pour le muon, on a parlé de son énergie dix fois supérieure à
39
sa masse. En physique classique, la masse est mesurée en kilogrammes (kg) et l’énergie en joules (J). Ce sont deux entités bien différenciées. La relativité jette un pont entre elles. Il s’avère que kg et J sont des unités mal commodes. 1 J est l’énergie emmagasinée par une masse de 1 kg chutant de 10 cm dans le champ gravitationnel terrestre. En électricité, c’est l’énergie acquise par une charge de 1 C (coulomb) traversant une différence de potentiel de 1 V. Le joule est une énergie beaucoup trop grande pour caractériser les phénomènes dans lesquels les particules élé mentaires sont impliquées.
Les rayons cosmiques de très haute énergie Les énergies affectant les particules élémentaires sont infiniment petites par rapport aux énergies macroscopiques rencontrées dans les phé nomènes quotidiens. Remarquons malgré tout que, récemment, des rayons cosmiques dont l’énergie dépasse les10 J ont été détectés. Ils véhiculent l’énergie d’une balle de tennis lancée par un champion. Mais ils sont excessivement rares et surgissent du fond des cieux au rythme de un exemplaire par kilomètre carré une fois par siècle. Une expérience immense, construite spécialement pour les étudier, se déploie sur des milliers de kilomètres carrés dans la pampa argentine.
Pour rendre compte des phénomènes de la physique subatomique, les physiciens ont inventé une autre unité d’énergie plus adapl’électrontée : volt (eV). Comme son nom l’indique, 1 eV est l’énergie qu’acquiert un électron accéléré dans une différence de potentiel de 1 V. La charge –19 élémentaire de l’électron valant 1,6.10 C, il en découle immédiate –19 ment la relaJ. L’eV est donc une énertion : 1 eV = 1,6.10 gie minus cule ; c’est à peu près l’énergie portée par les photons visibles qui nous viennent du Soleil et qui impressionnent la rétine. Plus préciment, le spectre de lumière visible couvre la gamme d’énergies allant de 1,3 eV (rouge) à 3 eV (bleu). Puisque les énergies sont mesurées en eV, les masses seront exprimées 2 en eV/c . Par commodité, les physiciens font très souvent la simplica tion c = 1. Cela donne un système d’unités non cohérent, mais avec un peu d’habitude, on s’y retrouve, et adopter une telle convention sou ligne davantage la parenté entre énergie et masse.
40
Soyez le premier à déposer un commentaire !

17/1000 caractères maximum.