Accélérateur de particules: d'autres bosons à découvrir

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Au cours des deux années de pause du LHC, des travaux d'entretien et d'amélioration ont été réalisés, ce qui lui permettra d'augmenter l'énergie des collisions de protons jusqu'à des seuils encore inédits en laboratoire.

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(Québec) Depuis qu'il a été découvert en 2012, tout le monde parle «du» boson de Higgs, comme s'il n'en existait qu'un seul. Or avec le redémarrage officiel du grand accélérateur de particules européen, cette semaine, les physiciens espèrent pourtant lui trouver plusieurs «amis» - jusqu'à quatre autres sortes de boson de Higgs. Et ils feront également les yeux doux à une certaine «SUSY»...

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Grâce au LHC, les protons sont accélérés en suivant un parcours circulaire, sous terre, de pas moins de 27 kilomètres de long.

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La physicienne québécoise Pauline Gagnon, qui travaille au LHC, vient de publier un livre grand public, Qu'est-ce que le boson de Higgs mange en hiver.

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Après une pause de deux ans, le LHC (pour Large Hadron Collider) doit reprendre ses activités dans les prochains jours, «possiblement demain ou jeudi, mais on n'est pas encore certain. C'est une machine énorme, ça prend vraiment beaucoup de coordination des équipes et des instruments. [...] On va d'abord faire circuler des protons dans les deux sens, puis on va essayer de les faire entrer en collision», résume la physicienne québécoise Pauline Gagnon, qui travaille au LHC et qui vient de publier un livre grand public sur ses activités, Qu'est-ce que le boson de Higgs mange en hiver.

Installation colossale à cheval sur la frontière franco-suisse, le LHC accélère des protons (des particules électriquement chargées dans le noyau des atomes) sur une distance de 27 km jusqu'à des vitesses extrêmement proches de celle de la lumière, soit près de 300 000 kilomètres par seconde. Lorsque deux protons se heurtent à une telle vitesse, il arrive parfois que des particules massives soient créées, l'espace d'un très court instant. Elles se désintègrent aussitôt en particules plus petites qui sont détectées dans les détecteurs géants du LHC - et à partir de ces «éclats», les physiciens peuvent déduire ce qui a été créé.

C'est de cette manière qu'ils ont prouvé l'existence du fameux boson de Higgs, en 2012. Et c'est encore ainsi qu'ils espèrent pousser plus loin notre compréhension (bien imparfaite) de la matière, à cette différence près que des travaux réalisés depuis deux ans augmenteront le nombre et l'énergie des collisions. Si bien que «d'ici la fin de la deuxième run, on va augmenter la quantité de données produites au LHC [une somme déjà titanesque] par un facteur de 5 à 10», estime le physicien de l'Université de Montréal Jean-François Arguin, un des nombreux chercheurs dans le monde qui analyseront ces données.

Nouvelle fenêtre

Maintenant, le Higgs était la dernière particule élémentaire du Modèle standard (la somme de ce qu'on connaît sur la matière, grosso modo) dont on n'avait toujours pas prouvé l'existence avant 2012. Alors qu'est-ce que vont chercher les physiciens cette fois-ci?

«Ça va nous permettre d'étudier le Higgs de façon plus précise, ce qui pourrait nous réserver des surprises», dit la chercheuse de McGill Brigitte Vachon, qui analyse elle aussi les données du LHC. Il faut en effet beaucoup plus de données pour mesurer les caractéristiques du Higgs que pour simplement le détecter.

Mais par-dessus tout, des physiciens comme M. Arguin ont espoir de lever, après des décennies de mystère, un petit bout de voile sur la «matière sombre». Une des énigmes les plus ardues auxquelles se bute la science moderne, en effet, est que l'on sait que la matière visible ne représente qu'une toute petite partie de l'Univers, et que l'on ignore complètement de quoi est fait le reste. Quand on observe une galaxie, par exemple, on peut estimer de façon assez précise la quantité de matière qu'il y a en son centre; mais le hic, c'est que cette quantité est toujours insuffisante pour que la gravité du coeur de la galaxie puisse «retenir» les étoiles qui gravitent autour. À cause de leur vitesse, celles-ci devraient en principe s'échapper dans l'espace. Mais comme elles ne le font évidemment pas, on déduit qu'il doit y avoir «autre chose» au coeur des galaxies, une «matière sombre» qui serait très massive mais qui n'interagirait que très peu (hormis par gravité) avec la matière «normale». On estime qu'environ 85 % de la matière dans l'Univers est constituée de matière sombre.

«SUSY»

Une des théories qui obtiennent le plus d'adhésion parmi les physiciens est nommée supersymétrie, ou «SUSY», pour faire court. Elle avance essentiellement que chaque particule du Modèle standard doit avoir un «superpartenaire», qui serait à la fois très massif et très discret. Jusqu'à maintenant, aucune expérience n'est parvenue à trouver la moindre trace des particules de SUSY, mais avec l'énergie accrue qu'auront désormais les collisions au LHC, «la probabilité de produire certaines particules supersymétriques pourrait être multipliée par 100», dit M. Arguin.

Parmi les signaux que les physiciens guetteront, explique Mme Gagnon dans son livre, figure l'apparition d'«événements à gerbe unique». Quand une particule massive se désintègre en particules plus légères, en effet, elle produit presque systématiquement deux gerbes partant en directions opposées - pour les mêmes raisons, essentiellement, qu'un coup de fusil provoque un effet de recul chez le tireur. Et comme les détecteurs du LHC ne peuvent pas «voir» les particules de matière sombre, l'apparition d'une gerbe unique peut être le signe que la gerbe «manquante» était une particule de matière sombre - encore qu'il y a d'autres possibilités.

Mais avant de sabrer le champagne, il faudra encore attendre, avertissent nos trois physiciens. En principe, «on pourrait voir les tout premiers signes de SUSY dès la semaine prochaine, mais après, ça va prendre plusieurs mois, sinon des années pour les confirmer. Ça s'est passé comme ça pour le Higgs, d'ailleurs : on a vu les premiers signes rapidement; en fait, dès juillet 2011 on tenait quelque chose, mais ça a pris presque deux ans de production de données pour le confirmer.»

Le LHC en quelques chiffres

13 TeV:  Au cours de sa première phase d'exploitation, le LHC accélérait les protons jusqu'à ce que leur énergie «cinétique» (ou «de mouvement», si l'on préfère) atteigne 4 tera-électron-volt (TeV), ou 4000 milliards d'électrons-volt - où un électron-volt est la quantité d'énergie (infime) qu'un électron acquiert quand il passe dans un potentiel de 1 volt. Cela donnait une énergie de collision de 8 TeV, mais le LHC amélioré poussera ce chiffre jusqu'à 13 TeV.

25: C'est le nombre de particules élémentaires (qui ne sont pas constituées de particules plus petites) que contient le Modèle standard, allant des électrons jusqu'aux quarks (qui, en «paquets» de trois, forment les protons et les neutrons du noyau des atomes) en passant par les photons. Mais si certaines versions de la supersymétrie sont confirmées, «on pourrait monter jusqu'à autour de 60», dit la physicienne Pauline Gagnon.

9593: C'est le nombre d'aimants utilisés pour accélérer les protons dans le tunnel circulaire de 27 km de long du LHC. Du nombre, les principaux (environ 1200) font environ 15 mètres de long et doivent être refroidis jusqu'à - 271 °C pour fonctionner correctement.

1 200 000: En provoquant et en mesurant pas moins de 1 milliard de collisions de protons par seconde, le LHC produit suffisamment de données en une année pour remplir 1,2 million de disques Blu-Ray - l'équivalent de 250 ans de vidéo haute définition.

Le LHC en quelques faits

Un peu de Higgs à Québec

C'est peu publicisé, mais une partie des données du LHC sont analysées au Québec, dans les supercalculateurs des universités McGill et Laval. Ce fut le cas lors de la «run 1», qui s'est terminée en 2012, et cela devrait se poursuivre, dit la physicienne de McGill Brigitte Vachon. «Une partie des données qui ont servi à la découverte du Higgs étaient stockées à McGill. [...] Les deux ordinateurs haute performance de McGill et de Laval sont liés, alors ça continue.»

Une mouche en vol

Est-ce que c'est beaucoup d'énergie, 13 TeV? Eh bien non, c'est en fait beaucoup moins que ce que l'on serait porté à croire, lit-on dans le livre de la physicienne Pauline Gagnon, Qu'est-ce que le boson de Higgs mange en hiver. En volant à 0,8 mètre par seconde, une petite mouche de 8 milligrammes a une énergie cinétique environ deux fois plus grande. Mais concentrée sur une particule aussi petite qu'un proton, cela reste énorme.

Pas de trou noir en vue...

Avant sa pause de 2012, le LHC avait soulevé la crainte, chez certains observateurs mal informés, que les collisions de protons à très haute énergie ne créent un petit trou noir qui mènerait à la fin du monde. Or, c'est rigoureusement impossible. Si les collisions du LHC sont les plus énergétiques jamais provoquées en laboratoire, elles restent faibles comparé à celles qui surviennent dans la haute atmosphère terrestre, quand des rayons cosmiques beaucoup plus énergétiques heurtent des particules de gaz.  

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