Particules et noyaux, vers l’infiniment petit et au-delà

La physique nucléaire a pris son essor à la toute fin du XIX^e siècle avec la découverte de l’électron, des rayons X et de la radioactivité. Les physiciens et physiciennes ont alors découvert qu’au centre de chaque atome se cache un noyau, composé de deux sortes de particules : des neutrons et des protons. Selon leur nombre, ces particules influent sur la nature de l’atome, sur ses propriétés, mais aussi sa forme et sa stabilité. Pour les étudier, les scientifiques ont appris à les manipuler, les casser (fissions), les fusionner... Aujourd’hui, plus de 300 noyaux stables ou quasi stables différents sont identifiés et de nouveaux, dits « exotiques », sont créés régulièrement dans des accélérateurs, comme au Ganil à Caen. L’enjeu est de comprendre les forces à l’œuvre dans les noyaux afin de prédire leur comportement dans la nature ou les processus cosmiques qui ont conduit à leur apparition sur Terre. Une tâche compliquée car les protons et neutrons sont eux-mêmes composés de particules élémentaires, les quarks, soudées entre elles par des gluons. Le noyau s’est avéré être un ensemble de particules en mouvement permanent, comme une sorte de fluide et d’une complexité qui défie encore aujourd’hui les scientifiques.

La physique des particules s’intéresse aux constituants élémentaires de la matière – ceux que l’on pense insécables – et à leurs interactions. Les scientifiques créent ces particules dans des collisionneurs, comme au Cern à Genève, où ils entrechoquent des électrons, des protons ou d’autres noyaux plus gros. De l’énergie produite par les collisions naissent des particules, parfois nouvelles, qui sont étudiées dans les détecteurs. C’est l’accumulation d’une grande quantité de données produites par un nombre considérable de collisions qui permet de découvrir ces nouvelles particules ou d’observer de nouveaux effets. La dernière particule découverte, en 2012 au Cern, est le boson de Higgs. Paradoxalement, cette exploration de l’infiniment petit permet de mieux comprendre l’infiniment grand, c’est-à-dire comment l’Univers a pu se structurer et devenir ce qu’il est aujourd’hui.

Les astroparticules désignent, de manière générique, tous les « messagers » reçus sur Terre en provenance du cosmos : neutrinos, rayons cosmiques, photons gamma ou ondes gravitationnelles. Les scientifiques s’intéressent à eux car ils témoignent des phénomènes les plus violents de l’Univers. Détecteurs géants, satellites et télescopes servent à traquer et ainsi étudier ces phénomènes cataclysmiques.

Découvrez en images l’étendue des recherches en physique nucléaire et physique des particules dans les laboratoires du CNRS.

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