A la recherche d’une cinquième force au Grand Collisionneur de Hadrons du CERN

in steemstem •  5 months ago

This post is a French adaptation of an earlier post of mine about the hunt for a fifth force at the CERN Large Hadron Collider. In this old post, I discussed possibilities about having extra fundamental interactions, and the way in which they could be to discovered in the LHC experiments. For the English version, please click here.

Les particules élémentaires interagissent via trois interactions fondamentales, à savoir l’interaction forte, l’interaction faible et l’électromagnétisme. Bien sûr, une quatrième force existe, la gravité, mais elle est totalement négligeable au niveau microscopique (et elle est donc négligée).

Les physiciens ont de fortes raisons de croire que le Modèle Standard de la physique des particules n’est qu’une version à basse énergie d’une théorie plus fondamentale qu’il nous reste à découvrir. Ces théories plus générales peuvent par exemple inclure une cinquième force.

Dans cet article, je vais détailler les méthodes permettant de rechercher une telle cinquième force au Grand Collisionneur de Hadrons (le LHC) du CERN.


[image credits: Luc Viatour (CC BY-SA 3.0)]

La raison pour laquelle nous n’aurions uniquement que quatre interactions est inconnue.

Nous pourrions en effet très bien avoir plus de quatre interactions fondamentales, les forces supplémentaires étant juste suffisamment spéciales pour être cachées.

Oui je sais, les forces spéciales… ça pue comme blague.

Mais bref… Les physiciens essaient par conséquent d’observer les effets d’une nouvelle interaction fondamentale, et de conclure ainsi à son existence. Pour le moment, toutes les recherches indiquent que nous n’avons pas de nouvelle force.

Mais même si l’existence d’une nouvelle force potentielle devient très contrainte, la chasse est loin d’être finie. Je vais expliquer ci-dessous comment cette ‘chasse’ est mise en pratique au LHC.


PARTICULES ELEMENTAIRES EN QUELQUES MOTS

Nous avons un petit nombre de particules élémentaires qui sont classées en trois catégories, à savoir les particules qui appartiennent au secteur de la matière, les particules responsables de la médiation des interactions fondamentales et le boson de Higgs (lui, je vais l’ignorer totalement aujourd’hui).

Pour les détails, je ne peux que recommender la lecture de ce cours de physique des particules, en anglais, que j’ai posté dans le passé. Ici, je vais me contenter de résumer.


[image credits: fait maison (d’ingrédients disponibles partout)]

Par le secteur de la matière, j’entends les particules qui consistent en les briques de base de toute la matière qui nous entoure. Nous en avons trois: les quarks up et down et les électrons.

Si on prend la figure ci-dessus et qu’on la parcourt de droite à gauche, les quarks up et down sont les constituents des protons et des neutrons, qui forment eux-mêmes le noyau des atomes autour duquel orbitent quelques électrons (les taches noires sur la gauche de la figure).

Le secteur de la matière contient en plus les neutrinos qui ont un rôle clé pour l’interaction faible.

Nous avons donc quatre bestioles différentes, qui viennent chacune avec une antiparticules, et nous allons multiplier le tout par 3 (un prix Nobel pour celui qui trouve pourquoi). Ce qui nous donne 24 particules élémentaires.


LES INTERACTIONS FONDAMENTALES

Nous avons donc 12 particules et 12 antiparticules qui interagissent via trois interactions fondamentales. Ces interactions reposent sur le concept des symétries de jauge que je ne vais pas expliciter (voir ici pour les détails).


[image credits: Particle zoo]

Ce qui est bon à savoir est que lorsque deux particules interagissent l’une avec l’autre, elles le font par l’échange d’un boson de jauge. Ces bosons de jauge sont, dans le monde microscopique, ce qui permet d’implémenter toutes nos interactions fondamentales (en tous cas les trois qui nous intéressent).

Dans le Modèle Standard, nous avons un petit nombre de ces bosons de jauges, qui sont le photon (permettant de véhiculer les interactions électromagnétiques), les bosons W et Z (pour les interactions faibles) et les gluons (pour l’interaction forte).

Par exemple, on dit qu’un électron et un positron interagissent électromagnétiquement par l’échange d’un photon.

Pour ajouter au Modèle Standard une cinquième force, on aura du coup un nouveau boson (on garde ce concept de symétrie de jauge car ça marche de façon impeccable).


A LA RECHERCHE DES NOUVELLES FORCES

Résumons tout ce que j’ai dit à date.

Les particules élémentaires interagissent par l’échange de bosons qui véhiculent les interactions fondamentales. C’est vrai pour les trois forces connues (électromagnétisme, forces faibles et fortes), mais aussi pour toute nouvelle force que l’on voudrait greffer à la théorie.


[image credits: ATLAS @ CERN zoo]

Du coup, pour découvrir une nouvelle force, il suffit de découvrir le boson correspondant. Il existe par conséquent de nombreuses recherches de bosons supplémentaires au LHC, au CERN.

L’hypothèse de base est qu’à la fois les quarks et les leptons (un terme générique désignant les électrons, muons, taus et neutrinos) interagissent via la nouvelle force. Cette hypothèse implique deux conséquences dramatiques.

Tout d’abord, le boson vecteur de la nouvelle force peut être produit au LHC. Le LHC collisionne des protons qui sont faits de quarks. Et lors d’une collision à haute énergie, ce sont alors les constituents des protons qui vont se collisionner. On peut donc produire des nouveaux bosons par l’annihilation des quarks se trouvant à l’intérieur des protons.

Deuxièmement, notre nouveau boson va pouvoir se désintégrer en quarks ou leptons. En scrutant la production de quarks et leptons au LHC, on peut donc potentiellement remonter à notre boson et conclure quant à son existence.


DISCUSSION: UN EXEMPLE PRATIQUE

Ici, pour simplifier, je vais me concentrer sur un signal de force supplémentaire qui serait associé à la production d’une paire de muon-antimuon.

Dans le cadre du Modèle Standard, une paire de de muon-antimuon peut-être produite soit via des interactions électromagnétiques, soit par interaction faible. Dans les deux cas, l’un des quarks d’un des protons qui sont collisionnés au LHC interagit avec l’un des antiquarks de l’autre proton.

Cela donne lieu à une production de muon-antimuon via les effets soit d’un boson Z (interactions faibles), soit d’un photon (électromagnétisme).


[image credits: Inspire]

Sachant cela, les physiciens vont supposer que la paire de muon-antimuon trouve son origine dans la désintégration d’une particule plus massive, et vont reconstruire la masse M de cette dernière.

En supposant qu’il n’y a rien de neuf sous le soleil, la probabilité d’obtenir une masse M importante décroit avec la valeur de M. C’est ce que l’on peut voir sur la figure.

Sur l’axe des x, on a la masse de cette particule lourde et sur l’axe des y, le nombre de collisions ayant donné lieu à une masse donnée.

On voit bien le comportement attendu: le nombre de collisions correspondant à une masse donnée décroit avec la valeur de M.

A peu près. En effet, au milieu de la figure, on peut voir un énorme pic. Cela correspond au cas où une particule intermédiaire a été produite pour de vrai. Dans notre cas, le boson Z de l’interaction faible. La position du pic nous donne alors exactement sa masse, qui est ainsi lue de l’axe x.

Partout en dehors du pic, nous avons bien une contribution à la fois du photon et du boson Z, mais ces dernières particles sont toutes les deux virtuelles. L’état intermédiaire (photon ou Z) n’existe pas réellement en tant que tel, mais l’existence de ces particules rend cependant le processus possible. C’est juste de la théorie quantique des champs. Et qu’on ne me parle pas une nouvelle fois d’agriculture s’il-vous-plaît.

Et donc la cinquième force dans tout ça? Et bien, au cas où une cinquième interaction fondamentale existe, nous devrions avoir un pic supplémentaire à haute masse.

Voilà comment les interactions fondamentales additionnelles sont recherchées au LHC: au travers de pics dans des spectres de masse de diverses particules.

Pour le moment, aucun pic nulle part. Cela signifie que soit nous n’avons pas d’interactions supplémentaires, soit le boson responsable de sa médiation est trop lourd pour que le LHC puisse le voir, ou nous avons affaire à un boson furtif. Ce dernier point sera l’objet de mon prochain post, si cela vous intéresse.


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I read the English post. Thanks.

I wonder is the search for dark-matter also tied to these searches? Is there any hint yet of any new particles that could explain dark matter or even dark energy?

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I wonder is the search for dark-matter also tied to these searches?

You have many models where the extra force is what connects dark matter (and actually an entire dark sector) to the Standard Model. However, you can also have an extra force without dark matter, and dark matter without any extra force.

Is there any hint yet of any new particles that could explain dark matter or even dark energy?

Nope. The nature of dark matter is still unknown. And for dark energy, we are living in an even darker place (yeah... stupid joke :p ).

Salut @lemouth, si jusqu'à maintenant on n'a pas arrivé à former une théorie qui explique bien les 4 forces fondamentales surtt la gravité,,, est ce que cette nouvelle approche peut changer quelque chose??

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Le probleme de la gravite est qu'elle est d'une nature totalement differente aux trois autres interactions. Leur unification est donc compliquee. Pour le moment, il y a pas mal de recherche dans cette direction. Le point d'interrogation persiste.

Concernant les forces supplementaires mentionnees ici, elles fonctionnent comme les 3 autres interactions fondamentales ce qui rend leur unification possible. En supposant bien entendu que l'on decouvre tout cela, vu que les 3 interactions du Modele Standard ne sont deja pas unifiees a la base dans le modele standard.

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Mmm je comprends ! ,, je pense que tu as lancé il y a longtemps des cours sur la physique quantique,,peut tu me donner un lien pour y accéder ? j'aime bien savoir plus..

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Il faudrait que je finisse ces cours... un jour ;)

Le dernier opus se trouve ici. La table des matieres avec tous les liens est en bas de post.

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D'accord,,merciii

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De rien :)

Si je comprends bien on dirait que les particules fondamentales de la nature peuvent se transformer en autre particules.

Cela veut-il dire que toutes les particules mesurées correspondent en réalités à un seul composant pouvant prendre des états différents? Je pense bien-sûr à la théorie des strings ou membranes...

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Si je comprends bien on dirait que les particules fondamentales de la nature peuvent se transformer en autre particules.

Tout a fait. La nature des particules n'est pas conservee. Par contre l'energie et l'impusion le sont.

Cela veut-il dire que toutes les particules mesurées correspondent en réalités à un seul composant pouvant prendre des états différents? Je pense bien-sûr à la théorie des strings ou membranes...

La theorie des cordes n'est pas prouvee experimentalement. Pour le moment, nous avons bien un petit nombre de particules elementaires qui sont nos entites de base. Tu peux jeter un oeil sur le cours de physique particules que j'ai poste sur steemit ici (en anglais).

PS: I can also answer in English if you prefer ^^

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Merci pour le lien sur votre cours. Je vais définitivement y jeter un coup d'œil.

Pas de problème pour le français, je suis d'origine belge bien qu'ayant vécu en Irlande depuis plus de vingt ans. 😀

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On peut se tutoyer sinon, non? ^^

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Oui absolument! 😀

Très intéressant d'avoir quelqu'un qui est au centre de ce type de recherche nous relater son champ d'activité.
Je n'ai pas compris toutes les subtilités dans les détails, il me manque quelques notions qu'il faudrait que je comble.
Par contre, quelles seraient les champs (on y revient) d'application de ce type de découvertes ?

  • formation de l'Univers?
  • énergie : fusion/fission nucléaire?
    -... ?
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Applications? Aucune, mis a part la comprehension de l'univers a son niveau le plus fondamental. Par contre, il faut garder a l'esprit que l'on forme des gens a reflechir a des problemes compliques (et a les resoudre) et que ces gens vont ensuite dans l'industrie, on developpe sans brevet des nouvelles technologies pour construire nos experiences, etc... J'en passe mais je pourrais te demontrer tous les bienfaits de la science fondamentales alors que les decouvertes me changeront rien a ta vie, en tous cas pas pendant les 50 ou 100 prochaines annees :)

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Je te rejoins: pas de recherche appliquée sans concept issus de la recherche fondamentale. Il n'y a qu'à voir le nombre de labo de biotechnologies à la bourse de Paris qui sont des spin off de grandes universités. Je suis un convaincu de l'utilité de la recherche fondamentale : le progrès de la compréhension de notre environnement proche ou lointain me semble indispensable.

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Juste pour les forces spéciales, ce post mérite tous les upvotes du réseau lol.

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Au moins une personne qui l'a trouvee celle la! ^^

Congratulations @lemouth!
Your post was mentioned in the Steemit Hit Parade in the following category:

  • Upvotes - Ranked 7 with 732 upvotes

Vraiment très intéressant ! Avec les petites blagues au bon moment ! 😂 Vraiment instructif 👌

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Des blagues? Erf, j'ai meme pas fait gaffe ;)

Sorry it was not my intention advertising here my post! Just removed! Do u know how can i speak with u or what's the best way to advertise this kind of contents? i'm new on Steemit.

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The comment section of my post is not the best place to advertise your work. Please remove the advertisement.

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Just write good post, we will find out. You can also join us on discord (the link is at the end of my post).

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Thank u for the info.

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You are welcome!

Versatility is a great marketing strategy. Writing in English and now in French will help reach wider audience. Kudos @lemouth. RESTEEMED.

Regards.

@eurogee of @euronation and @steemstem communities

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Thanks for passing by. I am really bad with my writing in French. Barely managing to write one post a month in French... I however hope this will still make my French-speaking readers happy :)

Après avoir lu ton article et m’être rendu compte que je n’avais pas tout compris, j’ai préféré partir me faire collisionner au LHC.
Quelqu’un peut me dire si je me suis transformé en paire de muon-antimuon?

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Mhhhh.... Il te faudrait trouver un anti-kelos avant toute chose... ;)

Great article!

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merci! :)

I followed the link to the English version of the post and Yeeh!! I saw my comment there, and the feeling was awesome.
I had to read the post again; and this time, with a better understanding than what I had 6months ago.

Thanks for sharing sir

merci d'avoir partagé cela

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The French posts are good to bring back good memories, I see ;)

Thanks for your comment! :)

Cette cinquieme force permetrait-elle d'expliquer le magnifying transmitter de Nikola Tesla ?
https://steemit.com/physics/@mage00000/the-discovery-of-tesla-s-magnifying-transmitter-part-6

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Non. Tesla se base uniquement sur l'electromagnetisme, qui est l'une des trois forces connues.

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Connue ? est-ce que l'on connait l'origine du champs electromagnétique terrestre ?
Et pourquoi un dipole coupé en deux redonne deux nouveaux dipôles ?

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Non, mais ce n'est pas pour cela que l'on ne sait pas comment fonctionne l'electromagnetisme.

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Les lois de Maxwell expliquent le fonctionnement d'un champs dont on ne connait pas l'origine.

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J'ai envie de dire: "et alors?". Les predictions de l'electromagnetisme sont en accord avec des tas et des tas de donnees. Le fait que l'on ne connait pas l'origine du champ electromagnetique de la Terre vient peut-etre de notre meconnaissance du fonctionnement de la terre et non de l'electromagnetisme, qui comme je l'ai dit, fonctionne extremement bien et ce a plusieurs echelles. C'est pour cela que cette theorie est consideree comme un standard, d'ailleurs.

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Et alors ? le CERN est capable de construire des aimants générants des champs de 14,6 Tesla.
https://home.cern/fr/about/updates/2018/06/fresca2-record-field-extraordinary-magnet
Tout va bien !
Enfin presque,
Le CERN consomme 1,3 térawatt heures d’électricité par an.
Ce qui représente 1/3 des besoins d’une ville comme Genève.
Il a besoin d’une puissance de 200 MW.
Source :
https://home.cern/fr/about/engineering/powering-cern

Il est alimenté par la centrale nucléaire du Bugey qui se fourni en uranium au Niger.

Après avoir épuisé les réserves d’uranium française en 50 ans, EDF pille les réserves africaines, sans que l’on consulte les populations locales sur l’utilisation d’un bien commun.
Mais bon, si c'est pour le bien commun décidé par quelques experts !

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Tu passes un peu du coq a l'ane la, non? Surtout qu'il me semble que nous avions deja discute de cela dans le passe. Mais bref, voici quelques elements de reponse.

  1. Oui, le LHC consomme beaucoup car il faut alimenter les aimants. Le CERN achete l'electricite necessaire a la France. Oui 'achete' est le mot. Donc de l'argent qui arrive du cote francais. Ce n'est pas un don.

  2. Essaierais-tu te dire que le CERN serait responsable du comportement d'EDF en Afrique (que je ne connais pas, soit dit en passant)? Si c'est le cas, c'est abuse comme raccourci, pour ne pas dire de totale mauvaise foi. La facon dont EDF produit son electricite n'a rien avoir avec le CERN.

En construisant un amplificateur électromagnétique inventé par Tesla, le CERN pourrait devenir un institut scientifique à énergie positive et accessoirement fournir une énergie gratuite et abondante à 7 milliards d’être humains, pour peut-être un dixième de son budget annuel, évitant ainsi la mort de centaines de millions de réfugiés climatiques.

Notre civilisation fait face à des problèmes d’approvisionnement en énergie sans précédent et j’ai du mal à comprendre comment les physiciens du CERN peuvent tranquillement poursuivre leurs recherches en physique théorique alors qu’ils pourraient apporter des solutions plus concrètes à une crise urgente. Oui nous en avons déjà parlé mais je pense que l’ampleur du problème vaut bien quelques commentaires qui dérangent.

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L'energie gratuite est un mythe. Cela ne marche pas. Point. Cela a ete demontre et tu peux trouver l'information a plein d'endroits sur internet.

De plus, resoudre les problemes energetiques du monde n'est pas la recherche sur laquelle le CERN travaille. Il y a d'autres instituts pour cela. La comprehension du fonctionnement de l'univers est la vocation du CERN.

PS: je ne vois pas en quoi tes commentaires deranges. Je trouve juste les raccourcis effectues innapropries et faux.

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Je me suis mal fait comprendre: la différence de potentiel électrique entre la troposphère et la terre dégage une énergie énorme, plusieurs centaines de milliers d'impacts de foudre sur le territoire français au mois de mai. Il n'y a là rien de contradictoire avec le modèle standard ! Tesla a simplement inventé un moyen de capter cette énergie et de la stocker sous forme d'ondes stationaires dans la terre elle-même. Là non plus rien d'ésotérique. l faudrait quelques millions d'euros compte tenu de la technologie actuelle et du savoir faire du CERN pour réaliser un prototype.

La comprehension du fonctionnement de l'univers est la vocation du CERN.

Le gouvernement américain a déclaré la guerre a l'Irak pour s'approprier ses réserves de pétrole, c'est comme ça que l'univers fonctionne. La guerre au Moyen Orient a déjà coûté plus de 7 000 milliards de dollars, de quoi faire fonctionner le CERN et d'approvisionner le monde entier en énergies renouvelables pour plus de 50 ans. Effectivement, c'est complétemet innaproprié comme remarque dans un post qui traite de la mise en place d'un projet de recherche pour la découverte d'une cinquième force, mais je ne pense pas que ce soit inexacte. J'essaie d'atirer l'attention de gens intelligents sur des problèmes graves qu'ils peuvent probablement résoudre.

Good job excellent friend information thank you for sharing support me with a vote

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Why should I do that? Moreover, asking this exact same thing to many Steemians is actually considered as spam by many...

I recommend you to truly engage other users if you wan them to support you. Thanks in advance for your consideration.

Très bon article. Il faudra que je visite cet endroit un jour !

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Tu begaies (tu m'as repondu deux fois)? L'an prochain sans aucun probleme, lorsque la machine sera l'arret. Suffira de demander ;)