Le modèle standard et ses extensions

Plusieurs équipes du laboratoire, ATLAS, CMS, BABAR, sont engagées dans des collaborations auprès des accélérateurs de particules les plus récents : LHC (CERN, Genève), SLAC (Californie, Etats-Unis). D'autres telles que VIRGO, AMS et HESS, s'intéressent à l'étude des phénomènes astrophysiques de haute énergie.

De nombreuses expériences réalisées au cours des 30 dernières années ont permis de construire une très élégante description du monde physique appelée « modèle standard ». Celui-ci s'applique plus particulièrement au monde des particules et peut être mis à l'épreuve des expériences grâce aux accélérateurs de particules. Le « modèle standard » permet de rendre compte d'un grand nombre de phénomènes, mais il continue à soulever de multiples questions s’intégrant dans plusieurs thèmes de recherche. Tout d'abord, ce modèle repose sur l'existence d'une particule appelée « boson de Higgs », qui n'a pas encore été détectée. Ensuite, ce modèle pourrait être un jour changé ou complété car il ne répond pas à certaines questions fondamentales. Par exemple : pourquoi y a-t-il trois familles de particules ? Peut-on unifier les interactions connues ? Pourquoi la matière et l'antimatière obéissent-elles à des lois légèrement différentes ? Enfin, l'intégration de la gravitation dans cette description de la nature constitue un défi majeur qui résiste aux efforts des chercheurs. Au LAPP ces questions correspondent à des voies de recherche que se proposent d'explorer les expériences ATLAS et CMS.

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La physique de l’antimatière et des saveurs

L'antimatière a été découverte dans les années 1930. On sait aujourd'hui que matière et antimatière ont un comportement légèrement différent (techniquement, la symétrie CP est violée), mais plusieurs détails de ce phénomène restent mal connus. L'équipe BABAR poursuit activement ce thème de recherche en s'intéressant plus particulièrement à des particules que l’on appelle mésons beaux (b et bbar) et pour lesquelles la différence matière/antimatière s’avère particulièrement flagrante. Les équipes du LAPP s'intéressent aussi depuis longtemps à la physique des neutrinos. Une découverte récente a encore augmenté cet intérêt : on sait maintenant que les neutrinos ont une masse non nulle. Cela se traduit par une propriété étonnante : les neutrinos de différents types (on parle de saveurs) peuvent se transformer les uns en les autres au cours de leur propagation. L'expérience OPERA permettra de mieux comprendre ce phénomène.

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Les rayons cosmiques, l'antimatière et la matière noire

L'espace interstellaire, dont on entend souvent dire – à tort – qu'il est vide, contient en fait beaucoup de choses. D'une part, des particules de haute énergie s'y propagent : ce sont les rayons cosmiques. Ils ont acquis leur grande énergie dans des accélérateurs naturels (explosions d'étoiles et autres phénomènes violents) et certains d'entre eux proviennent de régions très éloignées de notre système solaire. Il se trouve que ces rayons cosmiques sont en partie constitués d'antimatière. Leur étude présente donc un grand intérêt à la fois pour la connaissance de notre galaxie, mais aussi comme complément des études de l'antimatière en laboratoire. D'autre part, les chercheurs soupçonnent fortement l'Univers de contenir une composante massive qui échappe encore à l'observation directe. Ils l'appellent matière noire et son étude représente une activité majeure de l'astrophysique actuelle. Certains rayons cosmiques pourraient être issus de la matière noire, et leur étude peut donc apporter des informations sur ce subtil constituant de notre Univers. Les méthodes de détection de ces rayons cosmiques sont très semblables à celles de la physique des particules, et le savoir-faire acquis peut être transmis d'une discipline à l'autre. Ainsi, une équipe du LAPP, laboratoire de physique des particules, participe à l'expérience d'astrophysique AMS, qui vise à mesurer précisément les propriétés des rayons cosmiques. Cette équipe est aussi impliquée dans l'expérience HESS, un réseau de télescopes observant quant à lui les sources de photons gamma de très haute énergie et mesurant leurs caractéristiques.

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Les ondes gravitationnelles

De profondes similitudes existent entre les lois de l'électromagnétisme et celles de la gravitation. Les premières permettent de comprendre l'existence d'ondes électromagnétiques, dont la lumière visible, les ondes radar, les micro-ondes et les ondes radio sont des exemples bien connus. De façon analogue, les secondes décrivent les ondes gravitationnelles, dont l'existence a longtemps été le sujet de vives controverses. Ces 30 dernières années, des observations astrophysiques extrêmement précises les ont mises en évidence de manière indirecte. Plusieurs expériences tentent aujourd'hui de détecter ces ondes gravitationnelles de façon directe, grâce à des interféromètres de plusieurs kilomètres de long. Une équipe du LAPP est impliquée dans l'expérience VIRGO qui a construit un de ces interféromètres près de Pise en Italie.

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