Vanina RUHLMANN-KLEIDER

Vanina Ruhlmann-Kleider, chercheur au Dapnia, le laboratoire de recherche sur les lois fondamentales de l’univers du CEA (Commissariat à l’énergie atomique), est venu nous parler de son métier puis dans l’amphithéâtre des particules élémentaires.

I. Analyses des collisions

Mme Ruhlmann-Kleider a travaillé sur l’accélérateur LEP. Celui-ci a fait des millions de collisions (en fonctionnement de 1989 à 2000), permettant de nombreuses études expérimentales sur les constituants de la matière et leurs interactions. Vanina Ruhlmann-Kleider a notamment participé à l’analyse des résultats des collisions dans le but de rechercher la trace des bosons de Higgs, des particules, résidus du mécanisme de génération des masses de toutes les particules qui s’est opéré dans le lointain passé de l’univers. Le travail d’analyses se fait en équipe. Ils sont environ 600 dans le laboratoire : 200 à 300 physiciens et le reste ce sont des ingénieurs nécessaires pour faire fonctionner toutes les machines. Les détecteurs permettent d’étudier les débris des paquets de particules ayant subis des collisions dans les accélérateurs circulaires. Le CEA analyse les résultats des détecteurs pour cela il faut donc imaginer de puissants détecteurs, les construire, pour enfin pouvoir regrouper les mesures effectuées avec l’informatique. Il faut en moyenne entre 5 à 10 ans pour mettre en place des programmes. II. Histoire des particules

L’atome, longtemps considéré comme une particule élémentaire, est en fait sécable. A l’intérieur, des électrons et un noyau. Les protons et neutrons qui le constituent sont eux même le résultat d’un arrangement de particules encore plus petites : les quarks. Aujourd’hui, ils sont considérés comme des particules élémentaires.

Dates

1897 : l’électron est découvert par Thomson

60-70 : particules elles-mêmes composées de quarks. Il y a seulement 12 constituants « élémentaires » régis par 3 interactions fondamentales dans un cadre quantique et relativiste. III. Interactions fondamentales

Interaction forte

L’interaction forte permet la cohésion des noyaux atomiques en liant les protons et les neutrons entre eux au sein de ce noyau. Si cette interaction n’existait pas, les noyaux ne pourraient pas être stables et seraient dissociés sous l’effet de la répulsion électrostatique des protons entre eux. L’interaction forte est aussi responsable des réactions nucléaires, source d’énergie des étoiles et donc du Soleil.

Interaction électromagnétique

L’interaction électromagnétique est à l’origine de tous les phénomènes électriques et magnétiques. Elle permet aussi la cohésion des atomes en liant les électrons (charge électrique négative) et le noyau (charge électrique positive). Cette même liaison permet de combiner les atomes en molécules et l’interaction électromagnétique est donc responsable des réactions chimiques.

Interaction faible

L’interaction faible est responsable des désintégrations radioactives (bêta). Elle est portée par les bosons W (W+ et W-) et Z (Z0). Elle est aussi responsable des réactions nucléaires au sein des étoiles.

IV. Grands centres de physique des particules

Il existe plusieurs grands centres dans le monde : 3 aux USA, dont le Fermilab ; 1 au Japon ; 1 en Chine et 2 en Europe dont le CERN. Ce dernier est le plus grand centre de physique des particules au monde fondé en 1954. Il y a 3000 employés, 6500 scientifiques visiteurs de 80 nationalités…

Le LEP au CERN Le LEP a été inauguré en 1989 et a été l’ancien plus grand accélérateur du CERN jusqu’à l’an 2000. Le LEP, qui mesure 27 km de circonférence est enfoui dans un tunnel à 100 m sous terre dans lequel des faisceaux d’électrons et leurs antiparticules, les positrons, tourbillonnent dans des directions opposées, pratiquement à la vitesse de la lumière.

LEP 1 (1989-1995) : collisions à 91 GeV (= en physique des particules, on utilise souvent l’électron volt). Il y a environ 17 millions de désintégration de la particule Z en 2 quarks qui se matérialisent en jets de particules.

LEP 2 (1995-2000) : collisions de 130 à 209 GeV. Cela produit une paire de la particule W se désintégrant en leptons.

V. Brisure de la symétrie électrofaible

La symétrie électrofaible est l’unification des interactions électromagnétique et faible indifférenciées à haute énergie. La brisure de la symétrie électrofaible est donc la symétrie des 2 interactions brisée à basse énergie. Comme beaucoup de physiciens, Mme Ruhlmann-Kleider s’est alors demandée quel est le mécanisme exact de la brisure de la symétrie électrofaible.

Possibilité Les masses des particules sont dues à l’existence d’un champ (de Higgs) qui freine leur progression. La solution est qu’il y a une particule de plus, le boson de Higgs et à fort contenu prédictif : 0 ‹ M (H) ‹ 1000 GeV L’enjeu est de chercher tous les indices sur le boson de Higgs au LEP mais il n’y a pas eu de signal sur la présence du boson. On se sert alors de M (top) en utilisant la théorie (formules) et l’expérience, mesure au LEP. La valeur prédite est M (top)= 178.7 GeV et la mesure directe donne M (top)= 172.6 1.4 GeV.

Bilan actuel Le modèle standard est confirmé au niveau quantique mais pas au niveau de Higgs. On sait néanmoins que : 114.4 GeV ‹ M (H) ‹ 160 GeV ; M (H)= 115-118 GeV ? Avec les accélérateurs Tevatron (USA) et LHC (au CERN et qui remplacera le LEP) on pourra rechercher de nouvelles particules et poursuivre des mesures précises.