vendredi 8 avril 2016

Espace, temps, de la matière et les forces

Les expériences de particules-physique contribueront à expliquer l'origine de la matière noire et l'absence d'anti-matière. Nouveaux aspects de la réalité, comme l
Figue. 1: des particules élémentaire
 sont composées de chaînes
es dimensions supplémentaires et des trous noirs microscopiques, pourraient être découverts au Grand collisionneur d’hadrons. Les collisionneurs de prochaine génération utilisent de nouveaux matériaux et techniques pour atteindre des énergies plus élevées, et pourraient aussi être plus petit et moins cher que les accélérateurs actuels.
La physique des particules concerne à la fois les constituants de base de la matière et de leurs interactions, et avec les propriétés fondamentales de l'espace et le temps. Le plus grand outil pour cette exploration est l'accélérateur de particules, d'abord développé dans les années 1960, qui entre en collision des particules ensemble à hautes énergies comparables à ceux trouvés dans l'univers primitif, de révéler leurs électeurs et de créer de nouvelles particules dans le processus.
Au fil des années, les accélérateurs de plus en plus puissants ont conduit à la découverte de quark - les particules élémentaires contenus dans les protons et les neutrons - et d'autres particules chargées de les lier ensemble, ainsi que des particules chargées de la désintégration radioactive. Ces résultats ont jeté les bases pour le modèle standard de la physique des particules.
Le modèle standard a prouvé un succès remarquable: toutes les données expérimentales provenant des accélérateurs ont jusqu'à présent validé ses prédictions. Cependant, l'un de ses prédictions les plus importants - que les particules tirent leurs masses de la particule de Higgs hypothétique - doit encore être vérifié. L'un des principaux objectifs de l'accélérateur le plus puissant, le Grand collisionneur d’hadrons (LHC) près de Genève, en Suisse, est de détecter la particule de Higgs. Des travaux sont en cours pour développer les techniques mathématiques, expérimentales et informatiques nécessaires pour reconnaître .
Au-delà du modèle standard
Il y a encore beaucoup de questions que le modèle standard ne peut pas expliquer. Le principal mystère théorique est la grande différence dans les forces des forces fondamentales (figure 1.);Par exemple, l'attraction d'un aimant sur une petite aiguille est beaucoup plus forte que l'attraction gravitationnelle de la Terre entière. Cela est extrêmement naturel pour les forces décrites par la théorie quantique et ce «problème hiérarchie» est au cœur de nombreuses nouvelles théories qui vont au-delà du modèle standard.
Figue. 2:. Evolution des paramètres de force avec de l'énergie pour l'électrofaible, forte et les interactions gravitationnelles selon les théories actuellesPhysiciens attendent qu'une théorie plus complète va unifier les forces à haute énergie puisque dans la première milliseconde après le Big Bang, il y avait probablement seulement une seule force. Comme l'Univers a grandi et le niveau d'énergie / température ambiante est tombé cette force éclaté, entraînant finalement les quatre que nous connaissons aujourd'hui.
Un autre mystère majeur est la source de la matière noire - la substance invisible qui comprend près d'un quart de l'univers. Il se peut que la matière noire est faite d'un nouveau type de particule qui interagit faiblement avec des particules classiques. Des expériences à la recherche de ces particules avec des cristaux et des gaz nobles liquides sont déjà en cours. Les astronomes sont également la chasse pour des signes de haute énergie? Qui sont libérés rayons a quand la matière noire est anéantie.
Il y a une théorie qui étend le modèle standard et tente d'expliquer l'origine de la matière noire. Connu comme la super symétrie, il prévoit toute une série de nouvelles particules, dont certains pourraient être des constituants de la matière noire et pourrait apparaître dans les recherches de matière noire ou au LHC.
Dans le modèle standard, le fait que les particules sont organisées en «générations» - il existe deux versions plus lourdes de l'électron, par exemple - est un autre aspect dans le besoin de vérification. Étude désintégrations rares des quarks lourds et les propriétés des neutrinos, expérimentalement et théoriquement, pourrait aider à résoudre ce mystère.
L' un des plus célèbres théories pour une nouvelle physique au - delà du modèle standard est la théorie des cordes , qui postule que toutes les particules fondamentales sont de minuscules cordes vibrantes (voir image ci - dessus), en aidant à expliquer leurs générations et la symétrie.
Au LHC, les physiciens espèrent trouver exotique sous-produits de la théorie des cordes, y compris les dimensions supplémentaires recroquevillés qui sont trop petites pour être remarqué dans la vie quotidienne, et des trous noirs microscopiques. Devrait-on trouver ces caractéristiques, il marquera une révolution dans notre compréhension de la physique.
Enquête sur le Mystère Anti-Matter
Figue. 3:. L'évolution de l'Univers
depuis le Big Bang Comprendre
l'Univers repose sur les efforts conjugués
 de la physique des particules, physique
nucléaire, la cosmologie et l' astrophysique.
Encore une autre question que le modèle standard ne peut pas répondre est pourquoi notre univers est composé essentiellement de la matière (Fig. 2). Il y a quelque 80 ans, il a été proposé que pour chaque type connu de particules, il devrait exister une anti-particule correspondant à la même masse mais les propriétés opposées, telles que la charge. Les théories actuelles suggèrent que des quantités égales de matière et d'antimatière ont été produites au cours de la Big Bang, mais domine la matière de l'univers qui nous entoure. Où est ce manque d'anti-matière?
Il existe plusieurs théories possibles pour expliquer l'absence d'anti-matière, dont certains indiquent petits écarts par rapport au modèle standard. Pour les tester nécessiteront une surveillance précise de la production d'anti-matière dans des expériences au LHC et à l'installation d'accélérateur électron-positron KEK au Japon.
La réponse pourrait être liée à une particule fondamentale appelée neutrino , qui pourrait bien être son propre anti-particule. Différents types de neutrino ont légèrement différentes masses, et les neutrinos peuvent osciller spontanément parmi ces types. Les mesures de haute précision des paramètres d'oscillation sont prévues dans la prochaine décennie, ce qui pourrait élucider le rôle des neutrinos dans l'évolution de l'univers. Il a été proposé que l'asymétrie entre matière et antimatière puisse être liée à la question de savoir si le neutrino est sa propre anti-particule; cette idée sera testée par la mesure de désintégrations radioactives rares dans une expérience dédiée au Laboratoire national du Gran Sasso en Italie.
Colliders Next-Generation
Le LHC, et les recherches pour la matière noire et neutrinos, sont censés fournir de nombreuses réponses sur les constituants de l'univers; cependant, ils seront également soulever de nouvelles questions que les physiciens des particules se préparent déjà à traiter.
Le prochain projet d'accélérateur à grande échelle à l'horizon est le collisionneur linéaire international (ILC). Contrairement au LHC, la CIT va entrer en collision des électrons plutôt que des protons. A la différence des protons, les électrons ne possèdent pas de structure, ce qui rend plus facile d'analyser les produits de leur collision.
Au-delà de la CDI, il y a des propositions visant à accélérer muons, qui sont un autre type de particule fondamentale. Muons, comme les électrons, ont aucune sous-structure, mais ils sont 200 fois plus lourds que les électrons, de sorte qu'ils peuvent être accélérés dans un collisionneur circulaire. Muons décroissance rapide, cependant, et il est un grand défi pour produire un faisceau de telles particules de courte durée.
Il est clair que les tentatives de construire toujours plus grands accélérateurs finira par frapper un mur financier et pratique. Une stratégie visant à réduire considérablement la taille et le coût des accélérateurs est d'exploiter les propriétés des plasmas, car ils peuvent supporter des champs électriques beaucoup plus forts que les accélérateurs conventionnels. Tests de l’accélérateur plasma wakefield proposés sont prévus pour les années à venir.
La physique des particules a été - et reste - une entreprise internationale. En examinant certains des plus petits éléments de l'univers, la physique des particules promet de découvrir certains de ses plus grands secrets.
Emission de particules dans des dimensions supplémentaires, et la production de trous noirs microscopiques et cordes vibrantes, sont des idées intéressantes étudiées théoriquement à l'Institut Max Planck pour la physique. Une nouvelle vague d'expériences de particules physique dans la physique des neutrinos, des recherches de matière noire et de la production lourde quark, et les plus hautes énergies, est réglé pour tester ces nouvelles théories de la matière, l' espace et le temps