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Quelle est la prochaine étape au CERN?
Qu'est-ce que le LHC?
Le Grand collisionneur de hadrons, (Large Hadron Collider, LHC) est un accélérateur de
particules qui sondera la matière plus profondément que jamais. Sa mise en marche est prévue
pour 2008 et il permettra à terme des collisions de faisceaux de protons à une énergie de 14
TeV. Des faisceaux de noyaux de plomb seront également accélérés pour entrer en collision à
une énergie de 1150 TeV.
Un TeV est une unité d'énergie utilisée en physique des particules. 1 TeV correspond à peu
près à l'énergie du mouvement d'un moustique en vol. Le LHC parviendra à condenser son
énergie dans un espace environ mille milliards de fois plus petit qu'un moustique.
Le LHC est la prochaine étape d'une épopée de découverte commencée il y a un siècle. A
cette époque-là, des scientifiques venaient de découvrir toutes sortes de rayons mystérieux,
rayons X, rayons cathodiques, rayonnement alpha et bêta. D’où venaient-ils ? Etaient-ils tous
faits de la même « chose », et si oui, de quoi ?
Des réponses ont maintenant été apportées à ces questions, nous donnant par là même une
bien meilleure compréhension de l'Univers. Au passage, les réponses ont changé notre vie
quotidienne en nous apportant la télévision, le transistor, l'imagerie médicale et les
ordinateurs.
En ce début de XXIe siècle, nous nous trouvons face à de nouvelles questions. Le LHC a été
conçu pour y répondre. Qui peut prédire les nouveaux développements que ces nouvelles
réponses nous apporteront ?
Pourquoi le LHC?
Le LHC est construit pour compléter notre connaissance de l’Univers. La théorie sur laquelle
nous nous fondons, le modèle standard, ne permet pas de répondre à toutes les questions.
Nous ne savons pas pourquoi les particules élémentaires ont une masse, ni pourquoi leurs
masses diffèrent. Il est singulier qu'un concept si familier soit si mal compris.
La réponse pourrait se trouver dans le modèle standard, si la théorie du mécanisme de Higgs
se vérifie. Il règnerait dans l'espace tout entier un « champ de Higgs », et, en interagissant
avec ce champs, les particules acquérraient leur masse. Les particules interagissant fortement
avec le champ de Higgs seraient lourdes, et vice versa. Le champs de Higgs a au moins une
nouvelle particule qui lui est associée, le boson de Higgs. Si celui-ci existe, le LHC devrait
permettre de le détecter.
Qu'en est-il des quatre forces? Lorsque l'Univers était jeune et beaucoup plus chaud
qu'aujourd'hui, il est possible que toutes ces forces se soient comportées comme une force
unique. Les physiciens des particules espèrent trouver un schéma théorique unique pour le
prouver, et ils ont déjà en partie réussi. Deux forces, la force électromagnétique et la force
faible, ont été « unifiées » en une seule théorie dans les années 70. Cette théorie a été vérifiée
par une expérience récompensée par un prix Nobel quelques années plus tard. Cependant, la
force la plus faible, la gravité, et la force la plus forte, la force forte, restent distinctes.
Une théorie très répandue suggérée par l'unification des forces est appelée supersymétrie, ou
SUSY en abrégé. Elle prédit que, pour toute particule connue, il existe une partenaire «
supersymétrique ». Si l'hypothèse SUSY est vraie, les particules supersymétriques devraient
être découvertes au LHC.
Le LHC nous aidera aussi à résoudre l'énigme de l'antimatière.
On a cru initialement que l'antimatière était la parfaite « image réfléchie » de la matière - c'est
à dire qu’en remplaçant de la matière par de l'antimatière et en regardant le résultat dans un
miroir, il n’y aurait aucune différence. Nous savons aujourd'hui que le reflet est imparfait, ce
qui pourrait avoir conduit au déséquilibre entre matière et antimatière.
Le LHC sera un très bon « miroir d'antimatière », nous permettant de mettre encore une fois
le modèle standard à rude épreuve.
Ce sont là quelques-unes des questions auxquelles le LHC devra répondre. Mais l'histoire a
montré que les plus grandes avancées en matière scientifique sont souvent inattendues. Bien
que nous nous fassions une idée assez précise de ce que nous devrions trouver avec le LHC, la
nature pourrait bien nous réserver quelques surprises. Une chose est certaine : le LHC
changera notre vision de l'Univers.
Comment fonctionne le LHC?
Le LHC ne pourra fonctionner que grâce à la supraconductivité . Maintenir les faisceaux du
LHC en orbite requiert des champs magnétiques d'une intensité sans précédent dans les
accélérateurs du CERN.
Seule la supraconductivité permet de créer de tels champs, mais aucune installation
supraconductrice de la taille du LHC n'a été construite à ce jour. D'intenses travaux de R&D
menés en collaboration avec l'industrie européenne ont cependant montré que la chose était
faisable. Fin 1994, une étape importante a été franchie avec la première mise en
fonctionnement d'un prototype d'une section entière de l'accélérateur.
La supraconductivité est la capacité de certains matériaux à conduire l'électricité sans aucune
résistance ou perte d'énergie, généralement à très basse température. Le LHC fonctionnera à
environ 300 degrés en dessous de la température ambiante, température encore plus basse que
celle de l’espace intersidéral. Ses 27 km de circonférence feront de lui la plus grande
installation supraconductrice du monde.
Le LHC sera en quelque sorte un double accélérateur puisqu’il accélèrera deux faisceaux
circulant en sens opposés. Pour que la machine soit aussi compacte et économique que
possible, les aimants des deux faisceaux sont construits dans un support 2-en-1 unique.
Le LHC sera construit dans le tunnel qu’occupait le Grand collisionneur électron-positon
(LEP, Large Electron Positron Collider) du CERN, et coûtera donc beaucoup moins cher
qu'une machine similaire bâtie sur un site vierge. Les faisceaux de protons seront préparés par
la chaîne d'accélérateurs existant au CERN avant d'être injectés dans le LHC. Cette pratique
du Laboratoire, qui consiste à interconnecter les accélérateurs, a fait du CERN l'usine de
faisceaux de particules la plus flexible au monde.
Les expériences LHC
Six expériences étudieront ce qui se passe lorsque les faisceaux du LHC entreront en
collision. Elles devront gérer autant d'informations que l'ensemble du réseau européen de
télécommunications actuellement !
Non seulement le LHC sera l'accélérateur de la plus haute énergie au monde, mais ses
faisceaux seront aussi les plus intenses. Les collisions se produiront si fréquemment (800
millions de fois par seconde) que les particules d'une collision n'auront pas encore quitté le
détecteur lorsque la collision suivante se produira. La compréhension de ce qui se passe lors
de ces collisions sera la clé du succès du LHC.
Les expériences LHC sont:
ATLAS
CMS
ALICE
LHCb
TOTEM
LHCf
Les collisions du LHC sont-elles risquées?
Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) peut atteindre des énergies qu’aucun accélérateur
de particules n’a atteintes auparavant, des énergies que seule la Nature a pu générer. Sans
cette machine puissante, les physiciens ne pourraient continuer à sonder les grands mystères
de l’Univers. Les conséquences de ces collisions de particules à haute énergie ont pu susciter
des craintes. Il n’y a pourtant aucune raison de s’inquiéter.
Des énergies bien modestes à l’échelle de la Nature
Les accélérateurs recréent, dans des conditions de laboratoire, le phénomène naturel des
rayons cosmiques, ces particules produites dans l’espace intersidéral lors d’événements tels
que la formation de supernovae ou de trous noirs, et accélérées à des énergies dépassant
largement celles du LHC. Les rayons cosmiques voyagent à travers l’Univers et bombardent
sans cesse l’atmosphère de la Terre depuis sa formation, il y a 4,5 milliards d’années. Bien
que la puissance du LHC soit impressionnante si on la compare à celles d’autres
accélérateurs, les énergies produites lors des collisions sont bien faibles par rapport à celles de
certains rayons cosmiques. Les énergies très supérieures dégagées par les collisions qui ont
lieu dans la Nature depuis des milliards d’années n’ont pas eu de conséquences néfastes pour
la Terre. Il n’y a dès lors aucune raison de penser que les événements produits dans le LHC
pourraient en avoir.
Les rayons cosmiques n’entrent pas en collision uniquement avec la Terre, mais aussi avec la
Lune, Jupiter, le Soleil et les autres corps célestes. Le nombre total de ces collisions est
gigantesque comparé à celui que l'on espère atteindre avec le LHC. Le fait que les planètes et
les étoiles soient encore intactes nous conforte dans l’idée que les collisions se produisant au
LHC sont sûres. L’énergie du LHC, énorme, il est vrai, pour un accélérateur, est bien modeste
à l’échelle de la Nature.
Moustiques et TGV
L’énergie totale de chaque faisceau de protons circulant dans le LHC équivaut à un train de
400 tonnes (comme le TGV français) voyageant à 150 km/h. Cependant, seule une infime
partie de cette énergie est libérée lors de chaque collision de particules, l’équivalent environ
de l'énergie de 14 moustiques en vol... En fait, chaque fois que vous essayez d'écraser un
moustique entre vos mains, vous créez une énergie de collision bien supérieure à celle des
protons dans le LHC. La particularité du LHC réside dans son impressionnante capacité à
concentrer cette énergie à l'intérieur d'un minuscule espace, à une échelle subatomique. Mais
même avec cette capacité, la machine ne produit qu’une pâle imitation de ce que la Nature
accomplit quotidiennement dans les collisions de rayons cosmiques.
Lors de sa phase d’exploitation, le LHC fera entrer en collision également des faisceaux de
noyaux de plomb qui, au total, auront une énergie de collision plus grande : celle d’un peu
plus de 1000 moustiques en vol. Cette énergie sera cependant beaucoup moins concentrée
que celle produite lors de collisions de protons et ne présentera également aucun risque.
Vous ne serez ni engloutis par un trou noir microscopique ...
Dans l’Univers, l’effondrement d’étoiles massives crée des trous noirs massifs, des objets qui
renferment d'énormes quantités d'énergie gravitationnelle attirant la matière environnante. La
force gravitationnelle d’un trou noir est liée à la quantité de matière ou d’énergie qu’il
contient : moins il y a de matière, plus sa force d'attraction est faible. Certains physiciens
pensent que des trous noirs microscopiques pourraient être produits lors des collisions dans le
LHC. Cependant, ceux-ci seraient créés avec les énergies des particules entrant en collision
(équivalant aux énergies de nos moustiques) ; par conséquent, aucun trou noir microscopique
produit à l’intérieur du LHC ne pourrait générer une force gravitationnelle suffisante pour
absorber la matière environnante.
Si le LHC peut produire des trous noirs microscopiques, les rayons cosmiques, d’énergie
beaucoup plus élevée, en ont nécessairement déjà produit beaucoup plus. Et comme la Terre
est toujours là, il n’y a aucune raison de penser que les collisions moins énergétiques à
l’intérieur du LHC soient dangereuses.
Les trous noirs perdent de la matière en émettant de l’énergie par un processus mis en lumière
par Stephen Hawking. Les trous noirs qui ne peuvent attirer de la matière pour subsister, tels
que ceux qui pourraient être produits au LHC, rétrécissent, s’évaporent et disparaissent. Plus
le trou noir est petit, plus vite il s’évanouit. Si des trous noirs devaient se former dans le LHC,
ils n’existeraient que pour un instant fugace. D'ailleurs, leur existence serait si courte que la
seule façon de les repérer serait de détecter les produits de leur désintégration.
... ni emportés par un strangelet
Les strangelets sont d’hypothétiques petits morceaux de matière dont l’existence n’a jamais
été démontrée. Ils seraient composés de quarks « étranges », des parents plus lourds et plus
instables des quarks qui constituent la matière stable. Même si les strangelets existaient, ils
seraient instables. Leur charge électromagnétique repousserait la matière ordinaire ; ainsi, au
lieu de se combiner avec des substances stables, ils se désintégreraient, tout simplement. Si
des strangelets devaient être produits au LHC, ils ne feraient pas beaucoup de dégâts... Sans
compter que ces strangelets auraient déjà été créés par les rayons cosmiques de haute énergie,
et que, là non plus, aucun dégât n’est à déplorer à ce jour !
Études et évaluations
Des études relatives à la sécurité des collisions à haute énergie à l’intérieur d’accélérateurs de
particules ont été menées en Europe et aux États-Unis, par des physiciens qui ne sont pas
impliqués dans les expériences du LHC. Leurs analyses ont été évaluées par des experts, qui
ont confirmé que les collisions de particules dans les accélérateurs sont sûres. Le CERN a
également mandaté un groupe de physiciens des particules, eux aussi non impliqués dans les
expériences du LHC, pour répondre à toutes les spéculations sur les collisions au LHC. Ce
groupe peut être contacté à l’adresse [email protected].