Physique

Au CERN, un LHC tout neuf pour percer les mystères de l’Univers

Après une cure de renforcement, le Grand collisionneur du CERN est désormais deux fois plus puissant . Les scientifiques partent à la chasse aux particules inédites, parmi lesquelles la fameuse matière noire

Un LHC renouvelé pour explorer l’Univers

Physique Après une cure de renforcement, le grand collisionneur du CERN est désormais deux fois plus puissant

Les scientifiques partent à la chasse aux particules inédites, parmi lesquelles la fameuse matière noire

Explorer un continent encore vierge, avec une voiture dernier cri rendue encore plus puissante par quelques améliorations. C’est l’aventure dans laquelle vont se lancer les physiciens du CERN. Leur accélérateur de particules, le Grand collisionneurs de hadrons (LHC), va redémarrer sous peu. Plus sûr, solide et puissant qu’en février 2013, lorsqu’il a été arrêté pour une période d’entretien et de renforcement. En point de mire: la quête de réponses aux mystères de l’Univers concernant l’existence de particules inédites, la fantomatique «matière noire», la mythique antimatière, des dimensions cosmiques supplémentaires ou des théories jusque-là invérifiables.

L’excitation est palpable. A la hauteur de celle qui a prévalu lors du premier lancement de cette fantastique machine à découvertes, en 2008. Un anneau tubulaire de 27 km, enfoui sous la frontière franco-suisse, dans lequel circulent à une vitesse proche de celle de la lumière des grappes de protons qui se collisionnent frontalement au cœur de quatre immenses détecteurs placés sur cette boucle. Mais à l’époque, les savants savaient précisément ce qu’ils cherchaient: le boson de Higgs. Cette particule, qui explique pourquoi toutes les autres ont une masse, a été repérée en juillet 2012. C’était l’une des découvertes scientifiques les plus importantes de l’histoire. Ce corpuscule représente en effet la clé de voûte du Modèle standard, la belle théorie échafaudée depuis des lustres pour expliquer la matière et les forces présentes dans l’Univers.

«Désormais, nous devons être plus ouverts d’esprit, tant les possibilités de découvertes sont riches et variées», avise Dave Charlton, porte-parole de l’un de ces quatre instruments, Atlas. «Cette relance du LHC, avec une énergie plus puissante, est l’une des étapes les plus importantes qui aient jamais eu lieu en physique des particules.»

Elle permettra notamment de préciser la fiche signalétique du boson de Higgs. Mais avant tout, cette deuxième «saison» du LHC rendra possible l’étude de concepts que le Modèle standard, aussi abouti qu’il soit, n’explique pas. Parmi ceux-ci, la matière noire, Arlésienne de la physique, qui compose 21% de l’Univers. Une entité mystérieuse, dont l’existence a été postulée par Fritz Zwicky en 1933, alors que l’astronome suisse étudiait la rotation des amas de galaxies. Ses mesures indiquaient que les amas tournaient plus vite que ce que prévoyait la théorie. Il en avait alors conclu que ceux-ci devaient contenir une importante masse invisible. Car sans cette dernière, les galaxies auraient dû être éjectées des amas, sous l’effet de la force centrifuge. A ce jour, les physiciens n’ont jamais mis la main sur la moindre particule de matière noire et doivent se contenter d’hypothèses.

Il en existe depuis des décennies, telles que l’existence d’axions, particules ultra-légères postulées dans les années 1970 déjà, ou les WIMPs, acronyme anglais pour «particule massive interagissant faiblement», d’une masse 10 à 10 000 fois plus importante que le proton, mais passant inaperçues – comme le dit leur nom. A moins qu’il s’agisse d’une particule issue d’une théorie élégante et populaire parmi les physiciens: la supersymétrie, ou SuSy. Celle-ci avance que toutes les particules connues possèdent une particule «miroir», beaucoup plus lourde – l’électron aurait ainsi son pendant, le «s» électron. «Ces superparticules sont des candidates naturelles pour expliquer la matière noire», dit Dave Charlton. Mieux, SuSy, si elle est confirmée, pourrait être alors la théorie plus large, englobant le Modèle standard, dont rêvent les théoriciens pour obtenir une vue générale et exhaustive du fonctionnement de l’Univers. Apercevoir ne serait-ce que des traces de l’une ou l’autre de ces particules inédites, même indirectement (c’est-à-dire sous la forme de produits de désintégration), permettrait aux physiciens de faire des pas de géant.

Pour y parvenir, ils ont donc amélioré le LHC: remplacement d’aimants guidant la trajectoire des protons, pose d’interrupteurs permettant de minimiser l’impact global sur l’engin d’une défaillance locale, amélioration des systèmes de vide et de cryogénie (l’accélérateur est maintenu à une température d’au plus 1°C au-dessus de celle du «zéro absolu», –273,15 °C).

Surtout, lorsque le LHC 2.0 redémarrera, l’énergie des collisions de particules sera de 13 téraélectronvolts, ou TeV (soit 6,5 TeV par faisceau), contre 8 TeV en 2012. Chaque proton portera ainsi treize fois l’énergie d’un moustique en vol, à la différence que celle-ci sera concentrée dans un volume mille milliards de fois plus petit. Autant dire que l’énergie dégagée lors des télescopages frontaux sera faramineuse! Une énergie qui peut se transformer en masse, d’après l’équation d’Einstein E = mc2. Ainsi, une grande quantité d’énergie peut permettre de faire naître des particules de grande masse, pourquoi pas des particules de matière noire, comme l’espèrent les physiciens.

Le problème, explique Tiziano Camporesi, porte-parole de l’expérience CMS , semblable à Atlas, «c’est que ce n’est pas la présence directe de ces corpuscules que nous traquerons. Nous chercherons à voir s’il manquera quelque part un peu d’énergie dans le bilan énergétique final d’une collision, ce qui voudrait dire que des particules inédites ont emporté avec elles ce petit manque – un signe de leur existence. Or nous devons mettre en place un contrôle systématique de la performance de nos détecteurs, de manière à ne pas pouvoir attribuer des signaux inhabituels dans les données à un autre effet.»

Dès lors, les paquets de protons envoyés dans le LHC seront moins denses, pour permettre de mieux distinguer et identifier les produits de chaque feu d’artifice corpusculaire. Ces grappes seront par contre injectées à des intervalles de temps plus courts qu’en 2012, ce qui produira davantage de collisions. Pour stocker cette avalanche de données, les ingénieurs ont installé près de 60 000 nouveaux cœurs de processeurs et plus de 100 pétaoctets de mémoire supplémentaire – l’équivalent d’environ 700 ans de films en haute définition! «D’ici à 2018, nous aurons accumulé six fois plus de données que pendant toute la première période d’exploitation du LHC», dit Dave Charlton. Une montagne d’informations qui permettra d’améliorer les statistiques, et de donner du sens et de la validité aux événements les plus rares.

Cela posé, rien ne dit qu’il faille attendre des années avant une percée. «Il est possible que des signatures d’événements extraordinaires surviennent dès les premières heures après la relance, dit Tiziano Camporesi. C’est pour cette raison que, tout en devant recalibrer la machine, nous sommes maintenant en train de réfléchir à la meilleure stratégie pour attribuer au mieux nos canaux d’analyse, afin de ne rien manquer au cas où… Tout va dépendre de la générosité de la nature.»

A quand la prochaine découverte? Tout va dépendre de la générosité de la nature

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