La pointe de la physique réside dans un faisceau de particules subatomiques, se précipitant dans un cercle très proche de la vitesse de la lumière dans un tunnel souterrain en Europe centrale. Ce faisceau s’écrase sur une autre course tout aussi rapide dans l’autre sens. La collision qui en résulte produit une rafale d’autres particules capturées par les détecteurs avant qu’elles ne disparaissent.
Il s’agit d’une procédure standard au Large Hadron Collider (LHC), qui a récemment démarré pour la première fois depuis 2018, ses faisceaux étant désormais plus puissants que jamais. Le LHC, situé à l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) près de Genève, est le plus grand collisionneur de particules au monde : une machine gigantesque qui écrase littéralement les particules subatomiques et permet aux scientifiques d’observer la fontaine de débris quantiques qui en jaillit.
Cela peut sembler inutilement violent pour une expérience de physique, mais les physiciens ont une bonne raison pour la destruction. À l’intérieur de ces collisions, les physiciens peuvent décoller les couches de notre univers pour voir ce qui le fait vibrer aux plus petites échelles.
Les physiciens derrière la machine
Le “grand” dans le nom du LHC n’est pas exagéré : le collisionneur coupe une boucle magnétique de 27 km de long, entièrement souterraine, sous la banlieue de Genève, de part et d’autre de la frontière franco-suisse (où se trouve le siège du CERN), à travers le ombres par les pentes orientales des montagnes du Jura français, et vice-versa.
Assembler un tel colosse prenait du temps. Proposé pour la première fois dans les années 1980 et approuvé au milieu des années 1990, le LHC a mis plus d’une décennie à construire avant que son faisceau ne soit allumé pour la première fois en 2008. La construction a coûté 4,75 milliards de dollars, provenant principalement des coffres de divers gouvernements européens.
Le LHC consomme suffisamment d’électricité pour alimenter une petite ville. Même avant ses mises à jour actuelles, les expériences du LHC produisaient un pétaoctet de données par jour, assez pour contenir plus de 10 000 films 4K – et c’est après Le réseau informatique du CERN a filtré l’excédent. Ces données transitent par les ordinateurs de milliers de scientifiques de tous les coins du globe, bien que certaines parties du monde soient mieux représentées que d’autres.
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Le temps, l’argent et le pouvoir des personnes continuent d’affluer dans le collisionneur alors que les physiciens cherchent à répondre aux questions les plus fondamentales de l’univers.
Par exemple, qu’est-ce qui fait que la masse existe ? Contribuer à répondre à cette question a été l’un des triomphes les plus publics du LHC à ce jour. En 2012, les scientifiques du LHC ont annoncé la découverte d’une particule longtemps recherchée connue sous le nom de boson de Higgs. Le boson est le produit d’un champ qui, lorsque les particules interagissent avec le champ, donne à ces particules une masse.
La découverte du boson de Higgs a été la dernière brique du mur connu sous le nom de modèle standard. C’est le cœur de la physique des particules moderne, un schéma qui présente une douzaine de particules subatomiques et comment elles s’emboîtent parfaitement pour donner naissance à l’univers que nous voyons.
Mais d’année en année, le modèle standard semble de plus en plus insuffisant pour répondre aux questions fondamentales. Pourquoi y a-t-il tellement plus de matière dans l’univers que d’antimatière, son contraire ? Qu’est-ce qui constitue l’énorme morceau de notre univers qui semble être invisible et invisible ? Et pourquoi la gravité existe-t-elle ? Les réponses sont tout sauf simples.
Les réponses peuvent se présenter sous la forme de particules encore inconnues. Mais, jusqu’à présent, ils ont échappé même aux collisionneurs de particules les plus puissants. « Jusqu’à présent, nous n’avons trouvé aucune particule non conforme au modèle standard au LHC », déclare Finn Rebassoo, physicien des particules au Lawrence Livermore National Laboratory en Californie et collaborateur du LHC.
Améliorer le mastodonte
Bien que la pandémie de COVID-19 ait perturbé la réouverture du LHC (elle était initialement prévue pour 2020), les stewards du collisionneur ne sont pas restés les bras croisés depuis 2018. Dans le cadre d’une série d’améliorations techniques, ils ont complété le faisceau du collisionneur, renforçant son l’énergie d’environ 5 %.
Cela peut sembler dérisoire (et c’est certainement dérisoire par rapport à la mise à niveau prévue du LHC à haute luminosité plus tard dans la décennie qui augmentera le nombre de collisions). Mais les scientifiques disent que cela fait toujours une différence.
« Cela signifie une augmentation de la probabilité de produire une physique intéressante », déclare Elizabeth Brost, physicienne des particules au Laboratoire national de Brookhaven à Long Island et collaboratrice du LHC. “En tant qu’exemple personnel préféré, nous obtiendrons désormais 10% d’événements supplémentaires avec des paires de bosons de Higgs.”
Le modèle standard indique que les bosons de Higgs appariés devraient être extrêmement rares – et c’est peut-être le cas. Mais, si le LHC produit des paires en abondance, c’est un signe que quelque chose qui n’a pas encore été découvert est en jeu.
« C’est une situation gagnant-gagnant : soit nous observons bientôt la production de paires de Higgs, ce qui implique une nouvelle physique », déclare Brost, « soit nous pourrons éventuellement confirmer la prédiction du modèle standard en utilisant l’ensemble de données complet du LHC.
Les améliorations offrent également la possibilité d’observer des choses jamais vues auparavant. “Chaque bit supplémentaire offre plus de potentiel pour découvrir de nouveaux phénomènes”, déclare Bo Jayatilaka, physicien des particules au Fermilab dans la banlieue de Chicago et collaborateur du LHC.
Il n’y a pas si longtemps, un fourrage potentiel pour l’observation a émergé – pas du CERN, mais d’un vieil accélérateur maintenant fermé au Fermilab, à l’extérieur de Chicago. Des chercheurs se penchant sur d’anciennes données ont découvert que le boson W, une particule responsable de la désintégration radioactive à l’intérieur des atomes, semblait avoir une masse plus lourde que prévu. Si c’est vrai, cela pourrait faire exploser le modèle standard grand ouvert.
Naturellement, les physiciens des particules veulent s’assurer que c’est vrai. Ils prévoient déjà de répéter cette mesure du boson W au CERN, à la fois avec les données recueillies lors d’expériences passées et avec de nouvelles données provenant d’expériences à venir.
Il faudra probablement du temps pour que le LHC atteigne sa nouvelle pleine capacité. “Généralement, lorsque le LHC est redémarré, il s’agit d’un redémarrage lent, ce qui signifie que la quantité de données de la première année n’est pas aussi importante que les années suivantes”, explique Rebassoo. Et analyser même ces données qu’il produit prend du temps, même pour les grandes masses de scientifiques qui travaillent sur le collisionneur.
Mais dès 2023, nous pourrions voir des résultats – profitant du nouveau regain d’énergie du collisionneur, spécule Jayatilaka.