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Prototypes, recherche, innovation

Une démarche collaborative

Dans le domaine de la recherche, la réalisation des expériences scientifiques requiert souvent de nouveaux instruments, plus perfectionnés, plus sensibles, plus puissants ou tout simplement adaptés à des conditions expérimentales particulières. Ces prototypes de laboratoire sont le fruit ...

Quarks : une combinaison à quatre

Par Ranjithsiji — Travail personnel CC BY-SA 4.0

Le légo des quarks

Contrairement au proton et au neutron, les quarks sont des particules élémentaires, c’est-à-dire des particules qui ne sont pas elles-mêmes constituées d'autres « briques ». L’électron est élémentaire aussi, comme ...

La foudre bat des records

CC BY SA André Karwath aka Aka

Les éclairs et la foudre sont parmi les phénomènes naturels les plus spectaculaires. On estime que chaque seconde l’atmosphère terrestre est traversée par une cinquantaine de ces décharges électriques. En effet, ...

Un moteur moléculaire à effet tunnel

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Un moteur quantique
Comme d’autres moteurs moléculaires de cette échelle, le fonctionnement de ce nanomoteur conçu à l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), met en jeu la mécanique quantique. Mais l’originalité de ce nouveau moteur réside dans le fait que la cause-même ...

Photo-ionisation

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La quantité de mouvement de la lumière

Bien que de masse nulle, la lumière possède une quantité de mouvement ...

Vers de nouvelles technologies de chargeurs

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Des composants indispensables

De nombreux appareils électriques fonctionnant sur piles ont besoin d’être chargés régulièrement. On emploie donc des accumulateurs électrochimiques. Ces derniers sont rechargeables un très grand nombre de fois, contrairement aux piles. Téléphones ...

Un micro-accélérateur de particules

Vue du tunnel du LHC - Auteur : Maximilien Brice, CERN

Des ondes électromagnétiques pour accélérer les particules

Les physiciens de l’infiniment petit emploient des accélérateurs pour communiquer aux particules de très grandes vitesses afin de produire des collisions énergétiques. Au CERN par exemple, grâce à l’accélérateur LHC (le plus puissant du monde) qui fait 27 km de circonférence, les protons se percutent avec une vitesse égale à 99,999999 % de la vitesse de la lumière. En réalité, les protons sont pré-accélérés dans d’autres machines plus petites avant de pénétrer dans le LHC et subir leur accélération ultime. Par ailleurs, pour diverses applications, notamment médicales, des accélérateurs de particules plus modestes sont également nécessaires pour produire certains rayonnements employés en radiothérapie.

Les particules sont accélérées à l’aide de champs électromagnétiques, un peu comme des surfeurs avançant sur leurs vagues. L’énergie des particules augmente grâce aux ondes électromagnétiques qui leur en fournissent. Souvent, ce sont des microondes qui sont employées. Or, l’énergie du photon associé à l’onde est proportionnelle à la fréquence ou - ce qui revient au même - inversement proportionnelle à la longueur d’onde.

Ondes plus courtes, accélérateurs plus petits

L’idée que des chercheurs de l’université de Stanford aux Etats-Unis ont poursuivie consiste justement à accélérer des électrons avec des impulsions lasers infrarouges dont la longueur d’onde est de l’ordre de 1000 à 100 000 fois plus courte que les microondes. Cela signifie aussi des dimensions autant de fois plus petites. La taille d’un accélérateur comme le LHC devrait donc pouvoir être réduite à quelques dizaines de mètres, voire à moins d’un mètre. Pour le moment, les physiciens sont parvenus à accélérer des électrons à 1 keV (mille électronvolts) sur une distance de 25 micromètres. En effet, le « tube » de l’accélérateur a été dessiné sur une puce en silicium de 25 micromètres de long : il s’agit d’un sillon de 0,25 micromètre de large. C’est dans ce sillon que les électrons ont été accélérés à mille volts, grâce à 100 000 impulsions lasers par seconde traversant le sillon perpendiculairement. Afin que l’énergie des électrons atteigne 1 MeV soit 94% de la vitesse de la lumière, il faudrait mille tubes de ce type, soit une longueur de 25 mm. Compte tenu de l’exploit réalisé, les accélérateurs ultra-miniaturisés devraient voir le jour prochainement.

En savoir plus 
Sur l'utilisation des lasers pour accélérer les particules
https://home.cern/fr/news/news/physics/nobel-work-shines-light-particle-physics

Publié le 20/05/2020
 

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Quarks : une combinaison à quatre
L'existence de « tétraquarks » semble confirmée par des expériences de physique des particules.

Par Ranjithsiji — Travail personnel CC BY-SA 4.0

Le légo des quarks

Contrairement au proton et au neutron, les quarks sont des particules élémentaires, c’est-à-dire des particules qui ne sont pas elles-mêmes constituées d'autres « briques ». L’électron est élémentaire aussi, comme les trois sortes de neutrinos, de même que le « muon » (électron lourd) ou le « tau » (électron très lourd). Il existe 6 sortes de quarks groupées en 3 familles de deux chaque (fig tableau). A ces 6 quarks il faut ajouter 6 autres, les antiquarks. Une des caractéristiques des quarks (ou antiquarks) est le fait qu’ils possèdent des charges électriques fractionnaires. Mais il y en a une autre également : un quark ne peut jamais être seul. Les physiciens appellent cela la « liberté asymptotique ». A trois, ils forment les « baryons » comme le proton (uud) ou le neutron (ddu). Un quark et un antiquark forment un « méson » par exemple le pion π+ est formé d’un quark u et d’un antiquark d, mais il peut arriver que le méson soit constitué d’un quark et de son propre antiquark, comme le méson J/ψ formé d’un quark c et d’un antiquark c.

Une combinaison à quatre ?

A part baryons et mésons, dont il existe de nombreuses espèces, d’autres formes n’ont jamais été observées… ou quasiment pas. Très récemment les physiciens des particules ont annoncé avoir observé un tétraquark formés de deux quarks c et de deux antiquarks c. D’ailleurs, il se désintègre en deux mésons J/ψ. Une question subsiste tout de même : s’agit-t-il d’une entité tétraquark ou de deux doublets accolés ? De futures expériences devraient permettre de répondre à cette question. Cela permettra de mieux comprendre l’interaction forte, celle qui lie les quarks ensemble par échange de particules appelées « gluons ». Même si la découverte de ce tétraquark constitue une avancée importante, elle était dans l’air depuis près de dix ans. En effet, les résultats obtenus au CERN (Centre Européen de Recherche Nucléaire) entre 2009 et 2018 semblaient indiquer l’existence de cette particule. Signalons cependant qu’il ne s’agit pas du premier tétraquark en général, mais du premier étant constitué du même quark/antiquark. Quelques autres tétraquarks ont été identifiés durant les vingt dernières années, de même que de plusieurs pentaquarks, le dernier en juin 2019 au Cern, composé de 2u, 1d, 1c et 1 antic.

Kamil Fadel
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