Cent m\u00e8tres sous terre, dans la campagne franco-genevoise, la plus grosse exp\u00e9rience de physique de tous les temps est sur le point de d\u00e9marrer au Cern. Des d\u00e9tecteurs pesant des milliers de tonnes vont suivre \u00e0 la trace un demi-milliard de collisions par seconde et distribueront des millions de gigabytes de donn\u00e9es par an \u00e0 des milliers de physiciens autour du monde.<\/p>\n
But: d\u00e9tecter enfin le fameux boson de Higgs, cette particule imagin\u00e9e il y a plus de quarante ans, mais encore jamais observ\u00e9e. Et aussi d\u00e9couvrir de nouvelles particules, qui pourraient bien apporter des r\u00e9ponses \u00e0 deux questions primordiales.<\/p>\n
Comment la mati\u00e8re l\u2019a-t-elle emport\u00e9 sur l\u2019antimati\u00e8re lors des tout premiers instants de notre Univers? Et de quoi la \u00abmati\u00e8re sombre\u00bb — qui constitue 85% de toute la mati\u00e8re du cosmos — est-elle compos\u00e9e?<\/p>\n
Bienvenue dans le monde du Large Hadron Collider (LHC), le nouvel acc\u00e9l\u00e9rateur de particules du Cern.<\/p>\n
Le scalpel le plus efficace du monde, qui fracasse et d\u00e9chiquette des protons acc\u00e9l\u00e9r\u00e9s \u00e0 pr\u00e8s d\u2019un milliard de km\/h pour en d\u00e9couvrir les parties les plus intimes.<\/p>\n
Plus vite, plus froid<\/b><\/p>\n
Les protons circuleront \u00e0 une vitesse ph\u00e9nom\u00e9nale: 99,9999991% de la vitesse de la lumi\u00e8re, ce qui \u00e9quivaut \u00e0 faire sept fois le tour de la Terre en une seconde. L\u2019\u00e9nergie des chocs frontaux entre les protons permet la \u00abchimie des particules\u00bb, une succession de d\u00e9sint\u00e9grations et cr\u00e9ations qui transforment ces grains de mati\u00e8re. C\u2019est d\u2019ailleurs ici que l\u2019\u00e9quation la plus c\u00e9l\u00e8bre de la physique entre en sc\u00e8ne: E=mc2.<\/p>\n
Elle r\u00e9v\u00e8le qu\u2019une certaine quantit\u00e9 d\u2019\u00e9nergie est capable de cr\u00e9er, ex nihilo, une particule d\u2019une certaine masse. Au LHC, cette \u00e9nergie proviendra des collisions de protons. Pour les guider, les ing\u00e9nieurs ont install\u00e9 plus de 1700 \u00e9lectroaimants supraconducteurs le long de 23 des 27 km que fait l\u2019anneau du LHC.<\/p>\n
Ces aimants, qui produiront des champs magn\u00e9tiques d\u2019une intensit\u00e9 atteignant 8 Teslas, devront \u00eatre refroidis \u00e0 -271oC pour devenir supraconducteurs, ce qui n\u00e9cessite une r\u00e9serve de 700\u2019000 litres d\u2019h\u00e9lium liquide. Une fois refroidis, les aimants consommeront peu d\u2019\u00e9nergie, car l\u2019\u00e9lectricit\u00e9y circulera presque sans aucune r\u00e9sistance. <\/p>\n
L\u2019analyse d\u2019une collision de particules ressemble \u00e0 un rapport balistique dans lequel l\u2019expert d\u00e9termine de quel endroit est parti un coup de feu en analysant l\u2019impact de la balle. Les physiciens reconstituent les trajectoires des particules \u00e0 partir des traces qu\u2019elles laissent dans les d\u00e9tecteurs, construits autour du faisceau comme des couches d\u2019oignon.<\/p>\n
Au centre du principal d\u00e9tecteur, Atlas, se trouve une cam\u00e9ra digitale g\u00e9ante ultrarapide compos\u00e9e de millions de pixels en silicium qui \u00e9mettent une impulsion \u00e9lectrique lorsqu\u2019ils sont travers\u00e9s par une particule charg\u00e9e. A partir de ces signaux, on peut reconstruire la trajectoire de la particule <\/p>\n
Elle traverse ensuite un deuxi\u00e8me d\u00e9tecteur compos\u00e9 de centaines de milliers de tubes renfermant du x\u00e9non, un gaz noble similaire au n\u00e9on contenu dans les tubes fluorescents.<\/p>\n
Le gaz est ionis\u00e9 lors du passage d\u2019une particule, c\u2019est-\u00e0-dire qu\u2019il perd des \u00e9lectrons qui sont collect\u00e9s par un fil m\u00e9tallique situ\u00e9 au milieu de chaque tube — ce qui est d\u2019ailleurs le principe de fonctionnement des compteurs Geiger servant \u00e0 mesurer des taux de radioactivit\u00e9.<\/p>\n
Ensuite, un calorim\u00e8tre arr\u00eate la plupart des particules tout en mesurant leur \u00e9nergie, gr\u00e2ce \u00e0 une succession de sandwiches plomb\/plastique.<\/p>\n
Les muons (des sortes d\u2019\u00e9lectrons bien plus lourds) continuent leur chemin \u00e0 travers le dernier d\u00e9tecteur, situ\u00e9 \u00e0 une dizaine de m\u00e8tres du faisceau, et finissent leurs jours sous terre. Quant aux neutrinos, impossible de les arr\u00eater. Ils poursuivront leur voyage dans le cosmos \u00e0 la vitesse de la lumi\u00e8re. Une avalanche de donn\u00e9es<\/p>\n
Les chiffres du LHC et d\u2019Atlas donnent le vertige. 2800 paquets plus minces qu\u2019un cheveu contenant chacun 100 milliards de protons doivent se croiser 40 millions de fois par seconde.<\/p>\n
A chaque croisement, une vingtaine de collisions ont lieu et cr\u00e9ent une mul\u00adtitude de particules \u00e0 la vie \u00e9ph\u00e9m\u00e8re qui sont suivies par la centaine de millions de pixels d\u2019Atlas. La quantit\u00e9 d\u2019information brute produite est ph\u00e9nom\u00e9nale: 70\u2019000 GB chaque seconde, une pile de CD haute de 150 m\u00e8tres.<\/p>\n
Impossible \u00e0 enregistrer. Des syst\u00e8mes \u00e9lectroniques, les \u00abtriggers\u00bb, effectuent un premier triage pour ne retenir que les collisions prometteuses. Pour \u00eatre le plus rapide possible, ils ne tiennent compte que d\u2019une partie des pixels. Cela suffit pour indiquer la pr\u00e9sence d\u2019une particule int\u00e9ressante, comme par exemple un muon s\u2019\u00e9chappant de la collision avec un grand angle. Ils n\u2019ont que 25 milliardi\u00e8mes de seconde pour effectuer leur travail.<\/p>\n
Un second triage est ex\u00e9cut\u00e9 par quelque 2000 ordinateurs situ\u00e9s \u00e0 c\u00f4t\u00e9 d\u2019Atlas. Ils reconstruisent d\u00e9j\u00e0 partiellement les trajectoires de particules pour en s\u00e9lectionner les plus int\u00e9ressantes et ne transmettent au centre informatique du Cern qu\u2019une centaine de collisions par seconde, soit 300 MB\/s.<\/p>\n
Les donn\u00e9es sont ensuite archiv\u00e9es sur des milliers de bandes magn\u00e9tiques et distribu\u00e9es \u00e0 des centaines de centres de calcul dispers\u00e9s autour du globe, qui reconstruiront les trajectoires pr\u00e9cises des particules pour calculer leur masse et d\u00e9couvrir leur identit\u00e9.<\/p>\n
La quantit\u00e9 de donn\u00e9es \u00e0 analyser est gigantesque: une dizaine de millions de GB par an. Pour partager les ressources informatiques n\u00e9cessaires aux calculs des physiciens, le Cern a mis au point une nouvelle technologie de calcul partag\u00e9, le GRID. C\u2019est l\u2019h\u00e9ritier du World Wide Web, qui lui aussi avait \u00e9t\u00e9 d\u00e9velopp\u00e9 au Cern dans le but de faciliter l\u2019\u00e9change de donn\u00e9es. En tout, quelque 1900 scientifiques participent \u00e0 l\u2019exp\u00e9rience Atlas.<\/p>\n
Retour aux origines<\/b><\/p>\n
Pour comprendre ce que cherche le Cern, le plus simple est de commencer par le commencement, avec la gen\u00e8se de notre Univers.<\/p>\n
Au d\u00e9but fut le big bang. Tout l\u2019Univers, concentr\u00e9 en un seul point infiniment petit, se mit \u00e0 grandir et \u00e0 se refroidir, lib\u00e9rant les particules de mati\u00e8re et les forces fondamentales. Les premiers atomes apparurent, et la lumi\u00e8re fut. Ils s\u2019accumul\u00e8rent dans les \u00e9toiles, qui cr\u00e9\u00e8rent tous les atomes connus, explos\u00e8rent et enfant\u00e8rent les plan\u00e8tes.<\/p>\n
Cette cosmogonie moderne, nous la devons aux efforts conjugu\u00e9s de la cosmologie (qui indique que tout a commenc\u00e9 il y a 13,7 milliards d\u2019ann\u00e9e avec le big bang), de l\u2019astrophysique (qui explique comment la fusion nucl\u00e9aire au c\u0153ur des \u00e9toiles a pu g\u00e9n\u00e9rer tous les atomes) et de la physique des particules (qui a d\u00e9couvert les douze particules de mati\u00e8re et les forces qui les relient). Le but du LHC est de comprendre pr\u00e9cis\u00e9ment ce qui s\u2019est pass\u00e9 au tout d\u00e9but de notre Univers, lorsque la derni\u00e8re s\u00e9paration des forces a eu lieu.<\/p>\n
Les physiciens \u00e9tudieront des collisions de protons \u00e0 des \u00e9nergies in\u00e9gal\u00e9es qui recr\u00e9eront momentan\u00e9ment les conditions de notre Univers primordial. Les chercheurs esp\u00e8rent que les collisions du LHC produiront de nouvelles particules encore jamais observ\u00e9es, comme par exemple le boson de Higgs ou encore des particules pouvant expliquer la mati\u00e8re sombre. <\/p>\n
\u00abLe Higgs joue un r\u00f4le essentiel dans la physique des particules et dans l\u2019histoire de l\u2019Univers\u00bb, explique G\u00e9raldine Servant, physicienne au Cern. Dans les ann\u00e9es 1960, le physicien Peter Higgs avait d\u00e9crit comment une particule de force suppl\u00e9mentaire pemettrait de mieux comprendre un instant pr\u00e9cis de notre histoire, environ une picoseconde (10-12 s) apr\u00e8s le big bang, lorsque la force \u00e9lectromagn\u00e9tique se distingue de la force nucl\u00e9aire faible.<\/p>\n
\u00abLe boson de Higgs explique comment les particules responsables de la force faible, les bosons W et Z, ont acquis une masse — alors que le photon, porteur de la force \u00e9lectromagn\u00e9tique, n\u2019en a pas. Les physiciens se sont aper\u00e7us que la particule de Higgs expliquerait non seulement la masse des bosons W et Z, mais \u00e9galement celle de toutes les particules de mati\u00e8re comme les quarks ou les \u00e9lectrons.\u00bb<\/p>\n
Le boson de Higgs exerce sur ces particules une force qui les ralentit lorsqu\u2019elles se d\u00e9placent — un peu comme une foule de fans hyst\u00e9riques entrave la progression rapide d\u2019une star. Une telle r\u00e9sistance correspond exactement \u00e0 la notion de masse: plus un objet est lourd, plus il est difficile de le mettre en mouvement.<\/p>\n
Les seules particules insensibles aux Higgs et donc \u00e9pargn\u00e9es par cette lourdeur sont les gluons (m\u00e9diateurs de la force nucl\u00e9aire forte) et les photons.<\/p>\n
Les d\u00e9tecteurs du Cern et de Fermilab aux Etats-Unis ont pour l\u2019instant \u00e9chou\u00e9 \u00e0 d\u00e9tecter le Higgs, mais les physiciens esp\u00e8rent bien le d\u00e9couvrir gr\u00e2ce au LHC. \u00abLe boson de Higgs devrait avoir une masse bien inf\u00e9rieure \u00e0 1 TeV\u00bb, avance G\u00e9raldine Servant qui, comme tous les physiciens des particules, mesure la masse en \u00e9lectronvolts, une unit\u00e9 d\u2019\u00e9nergie.<\/p>\n
\u00abCette limite vient \u00e0 la fois de r\u00e9sultats exp\u00e9rimentaux et d\u2019estimations th\u00e9oriques.\u00bb Avec une \u00e9nergie de 14 TeV, le nouvel acc\u00e9l\u00e9rateur devrait \u00eatre donc capable de cr\u00e9er le Higgs. Mais observer cette particule n\u2019est de loin pas le seul objectif des nouvelles exp\u00e9riences du Cern.<\/p>\n
Mati\u00e8re \u00e0 discussion<\/b><\/p>\n
\u00abLes th\u00e9oriciens blaguent entre eux pour savoir ce qui serait le pire: ne pas d\u00e9tecter le boson de Higgs, ou l\u2019observer avec exactement les propri\u00e9t\u00e9s attendues\u00bb, \u00e9crit dans le journal \u00abNature\u00bb le physicien John Ellis, qui travaille au Cern.<\/p>\n
\u00abLe premier cas serait en fait tr\u00e8s int\u00e9ressant pour un chercheur, mais beaucoup plus d\u00e9licat \u00e0 expliquer aux politiciens qui ont financ\u00e9 le LHC\u2026\u00bb<\/p>\n
Dans le second, les pr\u00e9dictions th\u00e9oriques auront \u00e9t\u00e9 confirm\u00e9es, les Prix Nobel couleront \u00e0 flots, mais certains probl\u00e8mes ne seront pas r\u00e9solus. \u00abLes th\u00e9oriciens ne comprennent pas bien ce qui permet \u00e0 la masse du Higgs d\u2019\u00eatre si faible, c\u2019est-\u00e0-dire d\u2019\u00eatre insensible \u00e0 la physique des tr\u00e8s hautes \u00e9nergies, explique G\u00e9raldine Servant.<\/p>\n
A priori, cette masse devrait correspondre \u00e0 l\u2019\u00e9nergie des tout premiers instants de l\u2019Univers, lorsque toutes les forces \u00e9taient encore unifi\u00e9es — une \u00e9nergie un million de milliards de fois plus grande que celle du LHC. Comment comprendre que sa masse soit si faible et que le Higgs puisse \u00eatre observ\u00e9 au Cern?\u00bb<\/p>\n
Pour \u00eatre lev\u00e9e, cette contradiction requiert des d\u00e9veloppements math\u00e9matiques qui vont au-del\u00e0 du mod\u00e8le standard.<\/p>\n
Bref, le Higgs ne suffit pas. Depuis une cinquantaine d\u2019ann\u00e9es, les th\u00e9oriciens et les exp\u00e9rimentateurs avancent main dans la main, pr\u00e9disant l\u2019existence de nouvelles particules et les d\u00e9couvrant \u00e0 l\u2019aide d\u2019acc\u00e9l\u00e9rateurs de plus en plus puissants.<\/p>\n
Le mod\u00e8le standard est le fruit de cette collaboration. Mais au-del\u00e0 de ses succ\u00e8s, ce mod\u00e8le souffre d\u2019un certain nombre de probl\u00e8mes, comme par exemple l\u2019absence de particule pouvant expliquer la \u00abmati\u00e8re sombre\u00bb ou encore la diff\u00e9rence entre mati\u00e8re et antimati\u00e8re. Le mod\u00e8le standard n\u2019explique \u00e9galement pas quel est le m\u00e9canisme res\u00adponsable de la masse du Higgs, et ne dit pas s\u2019il est une particule \u00e9l\u00e9mentaire ou au contraire un objet composite.<\/p>\n
Les th\u00e9oriciens ont ainsi d\u00e9velopp\u00e9 depuis quel\u00adques dizaines d\u2019ann\u00e9es de nouveaux mod\u00e8les qui apportent des r\u00e9ponses \u00e0 ces questions, comme par exemple la \u00absupersym\u00e9trie\u00bb, le \u00abtechnicolor\u00bb, ou encore les th\u00e9ories \u00e0 dimensions suppl\u00e9mentaires.<\/p>\n
\u00abChaque th\u00e9orie pr\u00e9dit l\u2019existence de nouvelles particules, pr\u00e9cise G\u00e9raldine Servant. Si le LHC les d\u00e9couvre, nous aurons des indices solides pour d\u00e9terminer quelle th\u00e9orie est valide.\u00bb<\/p>\n
Ce que les physiciens veulent donc, c\u2019est de la \u00abnouvelle physique\u00bb qui les emm\u00e8nera au-del\u00e0 du mod\u00e8le standard. Dans le cas o\u00f9 le Higgs est d\u00e9tect\u00e9, ces th\u00e9ories subiront aussi l\u2019\u00e9preuve de la v\u00e9rit\u00e9, car elles ont \u00e9galement pr\u00e9dit sa masse. <\/p>\n
Une arm\u00e9e de chercheurs<\/b><\/p>\n
Mais revenons sous terre, car c\u2019est l\u00e0 que se feront — ou ne se feront pas — ces d\u00e9couvertes. Le concurrent direct d\u2019Atlas s\u2019appelle CMS et se trouve de l\u2019autre c\u00f4t\u00e9 du LHC. Avec ses 21 m\u00e8tres de long et 16 de haut, le Compact Muon Solenoid est certes plus petit, mais encore plus lourd: 12\u2019500 tonnes.<\/p>\n
Cet instrument, qui contient plus de m\u00e9tal que la tour Eiffel, est \u00e9galement un d\u00e9tecteur \u00abg\u00e9n\u00e9raliste\u00bb ayant le m\u00eame objectif qu\u2019Atlas: d\u00e9tecter le Higgs et des nouvelles particules.<\/p>\n
Il suit une strat\u00e9gie diff\u00e9rente: avec ses trois d\u00e9tecteurs d\u00e9di\u00e9s aux muons, il se focalise sur leur trajectoire, dans l\u2019espoir que ces particules semblables aux \u00e9lectrons (mais 200 fois plus lourdes) apparaissent dans des processus d\u00e9montrant la cr\u00e9ation d\u2019un Higgs. Avec son arm\u00e9e de 2\u2019000 chercheurs, CMS est un s\u00e9rieux rival pour Atlas.<\/p>\n
Le troisi\u00e8me d\u00e9tecteur s\u2019appelle LHCb, pour \u00abLHC beauty\u00bb. Il s\u2019attaquera \u00e0 la diff\u00e9rence entre mati\u00e8re et antimati\u00e8re en \u00e9tudiant les d\u00e9sint\u00e9grations de particules contenant les quarks \u00abbeauty\u00bb.<\/p>\n
Le quatri\u00e8me d\u00e9tecteur, Alice, ne fonctionnera environ qu\u2019un mois par an, lorsque le LHC sera vid\u00e9 de ses protons et acc\u00e9l\u00e9rera \u00e0 leur place des atomes de plomb ionis\u00e9.<\/p>\n
Ces particules bien plus lourdes permettront d\u2019atteindre des temp\u00e9ratures de mille milliards de degr\u00e9s et de cr\u00e9er un plasma de quarks et de gluons, un \u00e9tat qui \u00e9tait celui de notre Univers pendant le premier millioni\u00e8me de seconde. Deux autres exp\u00e9riences plus modestes, Totem et LHCf, mesureront la taille du proton et \u00e9tudieront des rayons cosmiques produits gr\u00e2ce au LHC.<\/p>\n
Le programme du LHC est extr\u00eamement ambitieux. La grande majorit\u00e9 des physiciens sont convaincus qu\u2019il apportera de nombreuses d\u00e9couvertes justifiant l\u2019investissement consenti.<\/p>\n
Dans ce cas, l\u2019aventure du Cern aura une fois de plus d\u00e9montr\u00e9 l\u2019extraordinaire pouvoir de l\u2019homme \u00e0 faire reculer les limites de la connaissance et sa capacit\u00e9 \u00e0 s\u2019organiser pour mener \u00e0 bien des projets d\u2019une complexit\u00e9 inou\u00efe.<\/p>\n
Dans le cas contraire, on peut craindre qu\u2019une vague de frilosit\u00e9 ne se r\u00e9pande parmi les politiciens lorsqu\u2019ils devront remettre la main \u00e0 la poche. L\u2019avenir, cach\u00e9 au milieu des milliards de gigabytes de donn\u00e9es que le LHC produira, nous le dira.<\/p>\n
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\nUne version de cet article est parue dans le magazine Reflex d’avril 2008.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
A Gen\u00e8ve, le LHC est sur le point d\u2019entrer en fonction apr\u00e8s plus de 20 ans de pr\u00e9paration. D\u00e9tecter le boson de Higgs et faire avancer notre compr\u00e9hension de l\u2019Univers: tels sont les objectifs de ce nouvel acc\u00e9l\u00e9rateur de particules. Explications.<\/p>\n","protected":false},"author":19478,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[5],"tags":[],"class_list":["post-2614","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-latitude","latitude"],"aioseo_notices":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/largeur.com\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/2614","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/largeur.com\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/largeur.com\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/largeur.com\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/users\/19478"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/largeur.com\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcomments&post=2614"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/largeur.com\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/2614\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/largeur.com\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fmedia&parent=2614"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/largeur.com\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcategories&post=2614"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/largeur.com\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Ftags&post=2614"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}