[50 ans de l’IN2P3: Passeport pour les 2 infinis]

L‘opération Passeport pour les Deux Infinis permet d’aborder des questions touchant à la recherche fondamentale actuelle. Il est le reflet des activités de l’Institut National de Physique Nucléaire et Physique des Particules (IN2P3), qui fête cette année ses 50 ans!

Les interactions entre « l’infiniment grand » (l’étude de l’Univers) et « l’infiniment petit » (les constituants élémentaires de la matière) renvoient aux préoccupations communes des physiciens des particules, des cosmologistes et des astrophysiciens. Par exemple, les accélérateurs de particules permettent de recréer des conditions qui se sont produites juste après le Big-bang. Ces parcours se rejoignent sur la question des particules élémentaires, aujourd’hui au centre de la problématique des origines de l’Univers.

En levant les yeux, on peut voir une infinité de points lumineux tapissant la voûte céleste : ce sont les étoiles qui forment notre Galaxie, la Voie Lactée. En s’éloignant, on distingue d’autres galaxies semblables à la nôtre, et qui constituent l’amas local. Ces galaxies, composées chacune de plusieurs dizaines de milliards d’étoiles, se regroupent sous l’effet de la gravité pour former des ensembles de plusieurs milliers, puis de millions d’unités, tissant une gigantesque toile au niveau de l’Univers à grande échelle. Voir loin, c’est aussi voir il y a longtemps. Nos instruments nous permettent d’observer jusqu’à la première lumière de l’Univers, émise 380 000 ans après le Big-bang, nous renseignant ainsi sur l’histoire de l’Univers commencée il y a 13,7 milliards d’années. Les détecteurs actuels nous ouvrent de nouvelles fenêtres sur l’Univers dans le domaine du visible mais aussi dans l’ensemble du spectre électromagnétique : rayons gamma et X, l’ultraviolet, l’infrarouge, les micro-ondes, les ondes radio… C’est tout un monde qui se révèle à nous : celui des phénomènes les plus violents de l’Univers (sursaut gamma ou supernovæ par exemple), rayons cosmiques, ondes gravitationnelles, neutrinos, trous noirs, Univers primordial… Depuis plusieurs décennies, des passerelles vers l’infiniment petit (l’étude des particules élémentaires et des forces fondamentales) existent et apportent de nouveaux éclairages sur notre Univers.

Vers l’infiniment petit Jusqu’où peut-on aller dans l’étude de la structure de la matière ? Dès l’Antiquité, des philosophes ont répondu à cette question en affirmant que l’Univers dans son ensemble était constitué d’une multitude de grains insécables : les atomes. Il a fallu attendre deux millénaires pour que la science puisse confirmer cette intuition et révéler la richesse de l’infiniment petit. En effet, les atomes ont une structure : un noyau autour duquel gravitent des électrons. Ce noyau est constitué de protons et de neutrons, eux-mêmes formés de quarks. Le Modèle Standard décrit avec une très bonne précision le comportement des particules actuellement considérées comme élémentaires : les électrons et les quarks. Ces constituants ultimes de la matière sont soumis à trois forces : les interactions forte, faible et électromagnétique. Le succès le plus récent de cette théorie est la découverte en 2012 du boson de Higgs (la dernière particule fondamentale prévue par le Modèle et qui restait à observer expérimentalement) sur le grand collisionneur LHC du CERN qui a démarré en 2010. Aujourd’hui les physiciens sont à l’affût de manifestations d’une nouvelle physique non décrite par le Modèle Standard – comme l’existence de particules élémentaires supplémentaires. Ils tentent de construire une théorie unique qui concilierait la relativité générale et la mécanique quantique, décrivant ainsi l’infiniment grand et l’infiniment petit dans le même cadre.

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