Institut de Physique Théorique
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Dimanche 23 avril 2017

Physique des particules - Astrophysique


Collision au LHC

Modèle standard & au-delà

Le Modèle Standard décrit les constituants élémentaires de la matière (quarks et leptons) et leurs interactions. Il a été testé avec une précision remarquable dans les expériences menées auprès des accélérateurs de particules au cours des trente dernières années. Un élément-clef de cette théorie, le boson de Higgs, dont les interactions avec les autres particules sont à l’origine de leurs masses, fait l’objet d’études approfondies au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) au CERN. Malgré ses succès expérimentaux, le Modèle Standard échoue cependant à rendre compte d’observations telles que l’existence de la matière noire, l’asymétrie matière-antimatière, l’accélération de l’expansion de l’Univers ou la petitesse des masses des neutrinos.  D’un point de vue théorique, il laisse ouvertes un certain nombre de questions, comme celle de l’instabilité, au niveau quantique, de la hiérarchie entre l’échelle électrofaible et l’échelle de Planck associée à la force gravitationnelle. La physique au-delà du Modèle Standard a pour ambition de répondre à ces questions, que ce soit dans le cadre de théories plus fondamentales prédisant l’existence de nouvelles particules et interactions, ou bien en employant des techniques indépendantes des modèles pour extraire des données expérimentales (collisions à haute énergie, rayons cosmiques, observations cosmologiques, oscillations de neutrinos, désintégrations rares...) des informations sur la physique sous-jacente. Ces approches complémentaires nous permettent d’explorer la dynamique de la brisure de la symétrie électrofaible, la nature et les propriétés de la matière noire, l’origine des masses des neutrinos, ou encore la nature de l’énergie noire.
 

Fluctuations du fond cosmologique

Cosmologie

La cosmologie a pour ambition de retracer l’histoire de notre univers depuis le Big-Bang pour en comprendre  le contenu aussi bien que la manière dont la matière se structure à grande échelle. Les objets astrophysiques observés aujourd’hui (galaxies, amas de galaxies...) sont le fruit de l’effondrement gravitationnel des petites irrégularités de densité qui ont pris naissance dans l’univers primordial. Nos travaux vont donc de l’étude de l’univers primordial (propriétés statistiques des fluctuations initiales, production d’ondes gravitationnelles ou de champs magnétiques, ...) jusqu’à la dynamique gravitationnelle des grandes structures dans l’univers récent (évolution de la distribution spatiale des galaxies, ...). Ces prédictions théoriques sont confrontées aux observations pour contraindre les scénarios cosmologiques possibles (mesures des fluctuations de température du fond diffus cosmologique, de la distribution des amas de galaxies, de la distorsion des images des galaxies lointaines par le champ gravitationnel). Au-delà de la compréhension de ces mécanismes, la cosmologie observationnelle soulève de nombreux problèmes pour la physique des particules élémentaires. Cela a naturellement conduit à un rapprochement entre ces deux thématiques. Nature de la matière noire ou de l’énergie sombre, origine de l’asymétrie matière-antimatière, nature de l’inflation et structure de l’espace-temps sont autant de questions auxquelles les physiciens tentent de répondre.
 

Collision d'ions lourds

 Chromodynamique quantique, Physique hadronique

La chromodynamique quantique (QCD) est la théorie fondamentale qui sous-tend l’interaction nucléaire forte. Elle régit les interactions à courte portée entre les quarks et les gluons, qui sont les constituants des protons et des neutrons. La QCD explique le confinement des quarks et des gluons dans ces particules. La compréhension des interactions fortes est cruciale pour l’analyse des données amassées par les expériences réalisées au Large Hadron Collider (LHC) au CERN. Les interactions fortes possèdent la propriété remarquable de devenir plus faibles à courte distance, ce qui permet l’usage de méthodes perturbatives pour étudier les processus à haute énergie. Au contraire, elles deviennent plus fortes à grande distance. Ce régime de couplage fort suggère l’emploi de théories effectives, ainsi que de théories voisines possédant des symétries attendues comme la supersymétrie maximale, ou encore de théories des cordes duales. La QCD requiert aussi des techniques non-perturbatives dans des situations qui impliquent un grand nombre de particules, même à couplage faible. Cela se produit dans la fonction d’onde d’un proton ou d’un noyau: la densité de gluons y augmente rapidement avec l’énergie jusqu’à saturer, une situation qui peut être traitée dans le cadre du condensat coloré vitreux. A haute température, la matière nucléaire subit une transition de déconfinement pour former un plasma de quarks et de gluons. Ses propriétés peuvent être étudiées dans les collisions de noyaux ultra-relativistes au LHC et au Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) à Brookhaven.

 

page n° 40, actualisée le 02-10-2013 13:45:24  par fvernizzi

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