PHYSIQUE

Révolutionner la physique en faisant surfer les particules

Au lieu d’imaginer des machines toujours plus grandes et coûteuses, des scientifiques du CERN tablent sur un projet permettant d’accélérer des particules avec un instrument tenant… dans un garage

En physique des particules, la course au gigantisme des accélérateurs commence à atteindre ses limites, ces machines atteignant des tailles et des coûts de plus en plus faramineux. Une technologie révolutionnaire, qui sera testée début 2017 au CERN, permettrait de produire des faisceaux de particules ayant des énergies phénoménales avec des instruments tenant dans… un garage. C’est en tous les cas l’objectif du projet AWAKE, dont les spécialistes se réunissent du 9 au 11 mars à Lisbonne pour tracer les grandes étapes du développement futur. Une avancée qui ne rendra encore que plus accessible ce champ abscons mais si utile de la physique.

Dans le monde, il existe aujourd’hui environ 30 000 accélérateurs de particules, utilisés comme outil thérapeutique en oncologie, ou comme moyen de recherches en biologie et en physique de la matière, pour caractériser les matériaux semi-conducteurs industriels par exemple. Les plus grands accélérateurs sont toutefois exploités par les physiciens pour étudier les grandes questions scientifiques de base, comme celles liées à l’origine et au développement de l’Univers. De tous, le Grand collisionneur de hadrons (LHC), au CERN, à Genève, est le plus long, avec son tunnel circulaire de 27 km.

L'anneau du Large Hadron Collider (LHC): 27 km à cheval sur la frontière franco-suisse (DR)

Le LHC fait se télescoper des trains de protons avec des énergies inouïes, et a déjà permis de belles découvertes, comme celle du fameux boson de Higgs en 2012, la particule qui attribue leur masse à toutes les autres. Mais pour percer encore plus à fond les mystères chers à Albert Einstein notamment, les physiciens ont besoin de plus. Plus d’énergie dans les collisions. Avec des engins encore plus puissants, donc plus grand; on parle déjà d’un accélérateur circulaire souterrain de 100 km de circonférence, le FCC, ou d’un autre, linéaire lui, de 31 km de long, l’ILC. En effet, dans ces instruments, les particules chargées sont accélérées sous l’effet d’un champ électrique à l’intérieur d’une cavité métallique. Ce champ ne peut être augmenté à souhait, car au delà d’une certaine valeur se produisent des décharges selon le même phénomène similaire qui donne lieu aux éclairs d’orage. La seule autre possibilité d’accroître la valeur de ce champ électrique est donc d’augmenter la distance entre les deux bornes (positives et négatives) qui le génèrent…

Le projet du futur accélérateur géant de 100 km de circonférence, le FCC (en jaune), comparé au LHC (en blanc) (DR)

«Lorsque qu’on évalue les coûts et l’échelle de ces machines, l’on comprend qu’une percée est peut-être nécessaire», explique dans la revue Nature Nick Walker, physicien à DESY, le laboratoire allemand de physique des hautes énergies. Ce changement de paradigme, c’est peut-être une vision théorisée à la fin des années 1970 qui va le permettre. Celle-ci propose d’exploiter les propriétés d’un état un peu particulier de la matière: le plasma. Lumineux et très chaud, un peu similaire au gaz, le plasma n’est toutefois pas constitué d’atomes mais simplement de particules chargées, libres et en suspension (ions, électrons).

Le principe dit d'«accélération par champ de sillage plasma» fait alors appel à une métaphore simple: lorsqu’un surfer, d’abord statique à la surface de l’eau, «prend la vague» qui l’approche, il se met soudain à acquérir une vitesse lui permettant d’avancer de plus en plus vite, d’accélérer. De même, l’idée est de générer une onde dans le plasma qui permettrait de «pousser» et accélérer des particules placées sur son passage.

Le surfer, d'abord immobile sur l'eau, voit sa vitesse augmenter lorsqu'il «prend la vague» (DR)

Comme un bateau par exemple peut générer une vague sur plan d’eau calme, il faut donc quelque chose pour créer cette onde dans le plasma. Plusieurs groupes dans le monde ont testés diverses solutions: des lasers, des rayons d’électrons. «Dans le projet AWAKE, pour la première fois, nous allons utiliser un faisceau de protons, en l’occurrence celui du SuperProtonSynchrotron (SPS), l’un des anciens accélérateurs du CERN, qui sert aujourd’hui à booster les paquets de particules injectées dans le LHC», explique Edda Gschwendtner, responsable du projet au CERN.

Vers la fin 2016, ce faisceau (d’une énergie de 400 GeV) sera dirigé sur une cellule de 10 mètres de long, ayant la forme d’un gros tuyau entouré d’une gaine isolante, et remplie d’un plasma maintenu à la température de 192°C. En traversant cette soupe de particules chargées, le cortège de proton générera des ondulations. «Toute la subtilité consistera alors à injecter dans cette cellule des électrons à un moment précis, de manière à ce que, comme le surfer, ils puissent 'prendre la vague' ainsi créée, et accélérer», détaille Edda Gschwendtner. Qui poursuit: «Le plus fascinant, c’est que l’on peut obtenir une accélération au mieux jusqu’à 1000 fois plus importante dans une telle cellule que dans un accélérateur conventionnel sur la même distance». Autrement dit, l’on pourrait réduire les 31km nécessaires à générer l’accélération dans la future machine linéaire ILC à… quelques centaines de mètres!

La cellule de plasma de 10 m de long, développée par l’Institut de Physique Max Planck à Munich (Allemagne) (OLIVIER DESSIBOURG)

Evidemment, la technologie d'«accélération par champ de sillage plasma» porte aussi maints défis, sans quoi elle aurait déjà été mis en oeuvre depuis longtemps: il s’agit entre autre de stabiliser autant que possible le plasma. «Surtout, il faudra faire en sorte que le faisceau accéléré ait une assez grande luminosité, autrement dit qu’il soit assez bien focalisé, pour ensuite permettre des collisions à extrêmement haute énergie. C’est un des objectifs de la recherche et développement de la prochaine décennie», dit la physicienne, qui a présenté son projet lors de la conférence TEDxCERN, l’automne dernier.

Sur le plan financier, le projet bénéficie déjà d’un soutien de 21.4 millions de francs suisses, alloués pour les deux-tiers par le CERN, et le reste par les 16 instituts de recherches dans le monde qui font partie d’AWAKE, impliquant une soixantaine de personnes. Qui toutes tenteront de donner raison au célèbre physicien anglo-américain Freeman Dyson, selon qui «les nouvelles directions en sciences sont lancées par des nouveaux outils plus que par des nouveaux concepts théoriques».

Edda Gschwendtner, physicienne autrichienne à la tête de l'expérience AWAKE au CERN (OLIVIER DESSIBOURG)
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