Sciences dessus dessous

Archive de la catégorie ‘Physique’

Lundi 15 septembre 2014 | Mise en ligne à 14h07 | Commenter Commentaires (8)

Boson de Higgs : circulez, y a rien à voir (enfin, pas encore)

La découverte du boson de Higgs, ou plus précisément sa première observation empirique, en 2012, avait fait naître de grands espoirs que l’on soit sur le point de découvrir une «nouvelle physique». Si l’on trouvait à ce boson des caractéristiques qui seraient inattendues et inexplicables avec nos connaissances actuelles, cela nous forcerait à en sortir, à innover. Mais jusqu’à maintenant, cependant, ces espoirs ont été plutôt déçus : le Higgs se comporte comme un bon citoyen rangé, qui respecte avec une remarquable minutie ce que le Modèle standard (grosso modo : la somme de ce que l’on sait sur la matière et les particules) prescrit pour lui. Et il vient même, rapporte ici le New Scientist, d’être innocenté d’une des pires transgressions dont on le soupçonnait, soit d’émettre un étrange surplus de photons quand il se désagrège.

Le champ de Higgs, rappelons-le, est le mécanisme qui explique pourquoi certaines particules ont une masse et d’autre non. Un peu comme les champs magnétiques qui n’affectent pas n’importe quelle matière (le bois, par exemple, n’est pas attiré ou repoussé par un aimant), ce ne sont pas toutes les particules qui ont une masse. Celles qui interagissent avec le champs de Higgs en ont une ; par exemple, les électrons qui tournent autour des noyaux atomiques, «pèsent» quelque chose. Et les particules qui n’interagissent pas avec le champs de Higgs n’ont pas de masse ; le photon, par exemple, a une masse de zéro.

Le boson de Higgs apparaît quand on parvient à «exciter» le champ de Higgs : il est un peu comme une vague à la surface de l’eau (surface qui, ici, représenterait le «champ»). Il est toutefois extrêmement difficile d’exciter le champ de Higgs, ce qui explique pourquoi il a fallu attendre la construction du Large Hadron Collider (LHC), cet accélérateur de particule format géant, avant de confirmer l’existence du célèbre boson.

Maintenant, on n’a pas observé le Higgs directement. Ce que les deux énormes détecteurs du LHC ont aperçu, ce sont les particules dans lesquels le Higgs se transforme lorsqu’il se désintègre (ce qui arrive extrêmement rapidement). Et parmi ces particules, les premières mesures semblaient montrer un excès de photons (les particules de lumière) que le Modèle standard ne pouvait pas expliquer. Même après certaines vérifications, ce surcroît persistait, ce qui faisait croire à certains que l’on avait enfin découvert la fameuse fenêtre qui allait nous permettre de jeter un petit œil sur une «nouvelle physique».

Mais voilà, rapporte le New Scientist, les équipes des deux détecteurs ont publié de nouveaux résultats tout récemment (voir ici et ici), résultats qui excluent l’excès de photons. Bref, jusqu’à présent, il semble que ce n’est pas sur le Higgs qu’il faudra compter pour nous guider hors du Modèle.

Il reste encore de l’espoir, remarquez puisque le LHC, qui marque présentement une pause d’entretien, va reprendre ses collisions de particules tôt l’an prochain à des énergies plus élevées que celles qui ont permis de «découvrir» le Higgs. Peut-être que ces collisions, à des énergies jamais atteintes en labo, nous donneront de bonnes clefs pour sortir du Modèle standard.

Mais pour le savoir, et c’est sans doute là le plus difficile, il faudra encore attendre…

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Lundi 17 mars 2014 | Mise en ligne à 14h52 | Commenter Commentaires (64)

Une annonce qui fait (Big) Bang !

La campagne électorale ne me laisse malheureusement pas le temps de faire de longues recherches là-dessus, mais je m’en voudrais de ne pas toucher au moins quelques petits mots sur la nouvelle du jour. Car c’est une énorme annonce qu’a faite ce matin l’équipe de l’expérience BICEP2, qui a détecté dans le rayonnement cosmique l’effet d’ondes gravitationnelles datant d’une fraction de seconde après le Big Bang.

Les ondes gravitationnelles sont comme les autres ondes : elles surviennent quand «leur» champ, le gravitationnel, est dérangé — quand une grosse masse accélère très rapidement, par exemple. Un peu comme les ondes sonores, qui sont des alternances de haute et de basse pression de l’air, les ondes gravitationnelles compriment l’espace-temps dans un sens et l’étirent dans l’autre, lit-on dans ces explications de Nature, qui a publié la découverte (voir aussi ici et ici pour d’autres détails). Elles sont cependant extrêmement faibles et n’ont jamais été observées directement. Les déformations qu’elles impriment dans l’espace-temps peuvent néanmoins avoir un effet sur la «polarisation de la lumière».

Ce que nos yeux perçoivent comme de la lumière est en effet une onde électromagnétique, c’est-à-dire de l’énergie électrique et magnétique qui se propage dans l’espace un peu comme une vague à la surface de l’eau. Dans le cas de la lumière, cependant, la «vague» est double : d’une part, elle est une oscillation de champ électrique; de l’autre, c’est le champ magnétique qui oscille. Et ces deux «vagues jumelles» oscillent dans deux plans perpendiculaires. La polarisation de la lumière, c’est la direction vers laquelle «pointe» son champ électrique.

L’instrument BICEP2 est justement fait pour étudier la polarisation de la «lumière» (enfin, des microondes dans le cas qui nous intéresse, mais c’est la même chose : des ondes électromagnétiques), plus précisément la polarisation du rayonnement «fossile» qui provient du Big Bang et qui prévaut partout dans l’Univers. BICEP2, qui est installé au pôle sud où l’atmosphère est plus mince (et presque exempt de vapeur d’eau, qui bloque les microondes), y a décelé un pattern de polarité qui trahit la présence d’ondes gravitationnelles.

L’équipe de BICEP2 a été capable de prouver que ces ondes sont des «échos» datant d’une fraction de seconde après le Big Bang, à une époque nommée «inflation» où l’Univers était dans une phase d’expansion extrêmement rapide — et c’est cette accélération inouïe qui aurait créé lesdites ondes.

D’un point de vue scientifique, la découverte est (extrêmement) importante pour deux raisons principales :

– D’abord, c’est la première preuve directe que nous ayons de l’«inflation», qui est un morceau important dans la compréhension que nous avons de l’origine de l’Univers.

– Ensuite, et peut-être surtout, ces résultats pourraient jeter des ponts entre deux pans de la physique que l’on peine à raccommoder. Les physiciens cherchent en effet à unifier les quatre forces fondamentales en physique, c’est-à-dire prouver qu’elles sont ultimement des facettes différentes d’une seule et même grande force universelle. Ils y sont parvenus pour l’électromagnétisme ainsi que pour les forces nucléaires «forte» et «faible» qui gouvernent le comportement des particules dans le noyau des atomes, mais la quatrième grande force, la gravité, refuse toujours d’entrer dans le moule — en bonne partie parce que, contrairement au trois autres, elle ne s’insère pas bien dans la mécanique quantique. Or comme l’inflation est un phénomène quantique, le fait qu’elle ait généré des ondes gravitationnelles serait une belle preuve que la gravité a, elle aussi, son petit côté quantique.

Encore une fois, désolé de ne pas pouvoir en dire plus, même si cette nouvelle aurait mérité mieux. Sur ce, je retourne m’occuper de la charte…

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Dans le longue, longue marche qui nous permettra un jour (peut-être) de produire de l’électricité grâce à la fusion nucléaire, chaque pas semble être extrêmement pénible. L’un d’eux a été franchi, après bien des pépins et des retards, au laboratoire Livermore, en Californie, a annoncé un article parue hier dans Nature : faire produire plus d’énergie à une boulette de carburant qu’elle n’en reçoît elle-même.

Les centrales nucléaires actuelles produisent de l’énergie en brisant des gros noyaux atomiques — comme l’uranium dont le noyau, un des plus massif du tableau périodique, est constitué de 92 protons et (habituellement) 146 neutrons. Au cours de ce processus nommé fission nucléaire, une partie de la masse initiale d’uranium «disparaît», c’est-à-dire qu’elle est transformée en énergie selon la célèbre formule d’Einstein E = mc2. Cela produit d’énormes quantités d’énergie, mais aussi une série de noyaux plus petits et instables (donc radioactifs), soit les fameux déchets nucléaires, dont on ne sait trop que faire à long terme.

La fusion nucléaire, elle, procède à l’inverse : on part des plus petits atomes possibles, soit de l’hydrogène, dont le noyau est constitué d’un seul proton (et parfois un ou deux neutrons), et on les force à s’agglomérer par «paquets» de quatre afin de former de nouveaux noyaux, plu gros. Cela donne des noyaux d’hélium (deux protons et deux neutrons), cela engendre aussi une perte de masse proportionnellement plus grande que lors de la fission, ce qui libère donc encore plus d’énergie — mais sans produire de déchets radioactifs, ou si peu, ce qui confère en quelque sorte à la fusion de statut de Saint Graal de la production d’énergie.

L’ennui, c’est que les noyaux H ne se laissent pas faire, leurs charges électriques positives les faisant se repousser. Si bien que pour démarrer une réaction de fusion nucléaire, il faut placer les noyaux d’hydrogène dans des conditions de chaleur et de pression absolument inouïes. On peut y parvenir par exemple en déclenchant une explosion nucléaire (par fission) juste à côté d’une certaine quantité d’hydrogène — la tristement célèbre bombe H fonctionne exactement comme ça —, mais pour produire de l’électricité à partir de la fusion nucléaire, il faut la démarrer de manière contrôlée. Et c’est ici que l’entreprise devient horriblement compliquée.

Aucun matériau ne peut supporter les chaleurs nécessaires à (et engendrée par) la fusion sans fondre, et même se vaporiser ; on parle ici de millions de degrés. Il faut donc contenir les noyaux d’hydrogène dans des champs magnétiques extrêmement puissants — et les forcer à se rapprocher suffisamment les uns des autres pour contraindre la fusion.

Dans le cas de l’expérience de Livermore rapportée hier, la boulette d’hydrogène est enveloppée dans une gaine de plastique, elle-même insérée dans une sphère en or nommée hohlraum (avis à ceux qui ne savent pas trop quoi faire de leurs «h» au Scrabble), explique ce compte-rendu de Nature. Cent quatre-vingt-douze lasers très puissants sont alors pointés sur le hohlraum, qui absorbe l’énergie et en réémet une partie vers l’intérieur sous forme de rayons X, à leur tour absorbés par l’hydrogène et le plastique. La chaleur fait exploser ce dernier, ce qui comprime l’hydrogène et force la fusion des noyaux.

Jusqu’à maintenant, cette approche n’avait pas donné grand-résultats, et le projet (qui a coûté plus de 5 milliards $ jusqu’ici) avait même frôlé la fermeture pure et simple. Mais dans le papier paru dans Nature, son équipe démontre qu’elle est arrivée à faire produire plus d’énergie (15 kilojoules) par la boulette d’hydrogène que celle-ci n’en a reçu (10 kilojoules), ce qui est un progrès notable.

On est encore très loin de la «rentabilité» énergétique, puisque le plus clair de l’énergie des lasers est perdue en cours de route : au total, ce procédé consomme encore environ 100 fois plus d’énergie qu’il n’en produit. Mais la partie de cette énergie qui se rend jusqu’à la boulette d’hydrogène est désormais plus petite que ce que ladite boulette génère, ce qui est déjà ça de pris.

Notons que cette approche aux lasers n’est pas la seule. Le projet ITER, une coopération internationale de 34 pays, mise plutôt sur un tokamak — la physique nucléaire est la meilleure amie des joueurs de Scrabble — qui sera construit en 2020. Les tokamaks sont des réacteurs en forme d’anneau qui se servent d’un champ magnétique extrêmement intense pour non seulement contenir l’hydrogène, mais aussi pour le comprimer. Il y a une quinzaine d’années, rappelle le NY Times, un projet semblable en Angleterre avait atteint 70 % du seuil de rentabilité énergétique.

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