Il est sur le point de révolutionner une fois de plus notre connaissance de l’Univers. Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN devrait atteindre sa pleine puissance le mardi 5 juillet. Après un arrêt de trois ans pour travaux de maintenance et d’amélioration, il a redémarré le 22 avril. Franceinfo présente le plus grand accélérateur de particules au monde, ce temple de l’étude de l’infinitésimal.
Il mesure 27 kilomètres de long et se trouve à 100 mètres sous terre
Le LHC est un anneau de 27 kilomètres de diamètre enfoui à 100 mètres sous terre à la frontière entre la France et la Suisse, non loin de Genève. Si l’appareil est enterré si profondément, c’est “pour éviter une contamination par des particules cosmiques qui pourraient perturber les expériences”, comme l’explique le Cern dans cette vidéo de présentation de l’expérience LHCb. L’accès à l’accélérateur de particules est extrêmement sécurisé : avant de prendre l’ascenseur qui le relie à la surface, un appareil scanne l’iris des visiteurs. Pourquoi de si gros instruments sont-ils nécessaires pour étudier l’infiniment petit ? Bref, explique le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), les particules se comportent comme des ondes ou des ondes. Selon la mécanique quantique, l’énergie est inversement proportionnelle à la longueur d’onde. C’est pourquoi travailler avec des longueurs d’onde courtes nécessite une quantité d’énergie extrêmement importante.
Elle est le théâtre de conflits (très) violents
Le LHC est un accélérateur. A l’intérieur, des physiciens propulsent des protons, des particules présentes dans le noyau des atomes. Dans l’anneau, deux faisceaux de protons circulent, chacun dans une direction. Ils se déplacent à une vitesse proche de la vitesse de la lumière, entrent en collision et explosent. Plus ces collisions sont violentes, plus elles permettent de briser les particules et aident les scientifiques à identifier leurs composants et leurs interactions. Après trois ans de travaux, le LHC atteindra sa pleine puissance de collision de 13,6 milliards d’électronvolts (TeV). C’est du jamais vu, constate Laurent Vacavant, directeur scientifique adjoint à l’Institut national de physique nucléaire et des particules. Mais à quoi correspond-il ? “C’est très difficile à montrer car ce sont des unités d’énergie vraiment spécifiques à notre domaine. Ce sont des énergies infinitésimales”, reconnaît-il. “Pour donner une idée, on compare souvent cette énergie à ce qu’un moustique doit dépenser pour rester en vol. Sauf qu’au LHC, cette énergie est concentrée de manière extrême dans la collision de deux protons”, promeut-il. “Les protons sont infiniment petits, cela crée une concentration d’énergie absolument gigantesque.” Laurent Vacavant à franceinfo Avec cette puissance jamais atteinte auparavant, les physiciens espèrent réaliser davantage de “collisions intéressantes” et d’”événements rares” avec la possible création de particules nouvelles ou jamais observées auparavant, explique Laurent Vacavant. Les détecteurs de plusieurs expériences (Atlas, CMS, ALICE et LHCb) répartis sur les 27 km de l’anneau sont alors chargés de capter et d’enregistrer les collisions. CMS, par exemple, agit comme une caméra géante, qui prend des images 3D des collisions. “Nous visons un taux de 1,6 milliard de collisions proton-proton par seconde pour les expériences Atlas et CMS”, a déclaré Mike Lamont, directeur des accélérateurs et de la technologie au CERN.
Il a déjà révolutionné la physique
Grâce au LHC, Fabiola Gianotti, alors coordinatrice de l’expérience CMS, annonce en 2012 la découverte du boson de Higgs. Cela a révolutionné la physique, confirmant la prédiction des chercheurs qui, près de 50 ans plus tôt, en avaient fait un élément central du Modèle standard de la physique des particules (SM).
Sept questions sur le boson de Higgs “Le boson de Higgs est lié à certaines des questions les plus profondes de la physique fondamentale, de la structure et de la forme de l’Univers à la façon dont les autres particules sont organisées”, a expliqué l’actuel directeur général du CERN. Mais le boson de Higgs reste mystérieux. “Est-ce une particule fondamentale ou un composite”, c’est-à-dire un assemblage de nombreuses particules encore inconnues, se demande Joachim Mnich, directeur de la recherche et du calcul au CERN. “Est-ce la seule particule de Higgs qui existe, ou y en a-t-il d’autres ?” il continue.
Cela pourrait aider à en savoir plus sur la matière noire
“Découvrir le boson de Higgs, c’est comme trouver une aiguille dans une botte de foin”, observe Laurent Vacavant. Il a fallu environ 1,2 milliard de collisions de protons pour le trouver. La nouvelle phase d’exploitation du LHC permettra de multiplier ce nombre par vingt. “Une augmentation significative qui ouvre la voie à de nouvelles découvertes”, juge Mike Lamont. Outre le boson de Higgs, les expériences du LHC ont déjà découvert plus de 60 particules complexes prédites par le modèle standard. Avec cette nouvelle phase de fonctionnement de l’accélérateur de particules, les scientifiques espèrent de nouvelles découvertes. Laurent Vacavant évoque notamment la matière noire. Cette matière fantastique et énigmatique sera constituée de particules exotiques massives. Selon certaines hypothèses, il pourrait y avoir entre cinq et sept fois plus de matière noire dans l’Univers que de matière visible. Cela signifie que la matière que nous connaissons (qui est constituée d’atomes) représenterait moins de 20% de toute la matière qui compose notre Univers. Cette matière noire, qui n’a jamais été détectée et observée auparavant, est une clé importante pour comprendre les mouvements de grandes structures telles que les galaxies et les amas de galaxies. Son retrait serait une avancée majeure, et sa détection est une priorité pour les chercheurs du monde entier. “La matière noire, on le sait, est une particule qui n’interagit pratiquement pas, explique Laurent Vacavant. Dans certains modèles, il y a une particule [hypothétique] appelé neutralino. Comme son nom l’indique, c’est une particule très neutre, qui serait difficile à voir. Et selon la masse de cet utherlin, il pourrait avoir toutes les propriétés de la matière noire”, explique-t-il. Les années à venir promettent d’être aussi passionnantes qu’elles le sont au LHC. Lire aussi Rubriques connexes
