En 2007, le plus puissant accélérateur de
particules jamais construit, le nouveau Large
Hadron Collider du CERN, sondera les secrets
de la matière dans des états d’énergie ayant
régné dans les instants qui ont succédé au
Big Bang. En faisant se percuter frontalement
des particules à des vitesses proches de celle
de la lumière, les physiciens espèrent sonder
la matière dans ses recoins les plus ultimes,
grâce à l’énergie dégagée par les collisions.
Qu’attend-on de l’énorme investissement consenti par l’Europe
pour la réalisation du LHC? Ce dernier va faire tourner, en sens
opposés, dans un anneau souterrain de vingt-sept kilomètres de
circonférence à cheval sur la frontière franco-suisse, deux faisceaux
de protons, particules constituantes du noyau des atomes appartenant
à la famille des hadrons. Pour accélérer ces protons et les maintenir
confinés en d’étroits faisceaux, des champs magnétiques extrêmement
intenses sont requis. Ces champs seront produits par des supra -
conducteurs, à savoir des matériaux capables de conduire l’électricité
sans résistance ni perte d’énergie et fonctionnant à très basse
température, élaborés en collaboration avec l’industrie européenne.
Les collisions entre protons se produisent au rythme de huit cent millions
de fois par seconde à une énergie colossale de 14 TeV. Pour se
rendre compte de l’amplitude de ce nombre, un TeV est à peu près
l’énergie du mouvement… d’un moustique en vol. Sauf que, dans le
LHC, cette énergie sera concentrée dans un espace mille milliards de
fois plus petit qu’à l’échelle d’un insecte! L’énergie pouvant se matérialiser
en particule selon le principe d’équivalence masse/énergie de la
relativité restreinte – le fameux E=mc2 –, les physiciens espèrent ainsi
créer des particules jamais encore observées dans des accélérateurs.
La densité et l’intensité des collisions sont importantes, car elles multiplient
les chances de les voir apparaître. Deux faisceaux de noyaux de
plomb seront également produits, atteignant une énergie de 1 150 TeV,
avec cependant moins de collisions par seconde.
De la quête de la supersymétrie…
Certains détecteurs seront capables d’analyser ces collisions. Deux
d’entre eux portent les noms de CMS (Compact Muon Solenoid) et
Atlas (A Toroidal LHC Apparatus). Ils se concentreront sur la détection
de particules dites supersymétriques et également celle du boson
de Higgs.
Qu’en est-il de la supersymétrie? La physique des particules comporte
de nombreuses symétries – comme, par exemple, la matière et l’anti -
matière. La supersymétrie consiste à associer à chaque boson (véhiculant
la transmission des interactions comme le photon) un fermion (particules
constitutives de la matière tels les électrons et les quarks), et
vice-versa. Le défi repose sur le fait que ces contreparties qualifiées
de supersymétriques (ou désignées aussi sous le vocable de sparticules)
n’ont encore jamais été observées.
Comment les détecter? Paradoxalement, par leur absence! «C’est un
peu comme dans une salle de cinéma. Vous comptez le nombre et la
qualité de personnes qui rentrent puis qui sortent de la salle. S’il en
manque une à la sortie du film, parce que vous savez qui est entré,
vous êtes capable de deviner qui n’est pas sorti.» De même, les expérimentateurs
du LHC savent que certaines collisions de particules sont
censées produire ces sparticules qu’aucun détecteur n’est capable de
voir. Connaissant les énergies des particules avant leurs collisions, ils vont
les comparer aux énergies des particules produites après la collision.
S’il y a différentiel énergétique, c’est qu’une particule leur aura
échappé. En calculant l’énergie manquante, ils sauront s’il s’agit ou
non de la composante supersymétrique ou sparticule qu’ils attendent.
… à celle du boson de Higgs
L’autre défi des détecteurs CMS et LHC sera de détecter le boson de
Higgs. Objet central de la théorie du modèle standard, ce dernier est
censé interagir avec les particules et leur donner une masse. Comment?
Imaginons une pièce remplie d’étudiants en physique. Tout à coup
Albert Einstein entre dans la pièce et les étudiants le cernent de toute
part, le pressant de questions. Albert, lorsqu’il tente de se déplacer, ressent
alors une certaine inertie de mouvement due aux étudiants qui
s’accrochent à lui. Il est un peu comme ces particules qui acquièrent
une masse lorsque les bosons de Higgs tentent d’interagir avec elles.
Là encore la détection tant espérée de ces fameux bosons ne peut être
qu’indirecte: ce seront les particules issues de leur désintégration qui
seront détectées.
Un troisième détecteur équipant le LHC se nomme Alice (A Large Ion
Collider Experiment). Son but est d’explorer les territoires inconnus de
la physique nucléaire, en particulier d’étudier un état de la matière
ayant subsisté très peu de temps après le Big Bang et connu sous le
nom de plasma de quarks-gluons.
Quelle est cette nouvelle étrangeté? C’est dans les années ‘60 que les
scientifiques ont réalisé que les protons et les neutrons, constituant le
noyau des atomes, étaient eux-mêmes des assemblages de particules
plus élémentaires, les quarks. Ceux-ci sont liés entre eux par l’inter -
action forte véhiculée, pour sa part, par des particules appelées gluons.
L’une de leurs caractéristiques est qu’ils sont grégaires: ils ne peuvent
exister seuls mais vont toujours par paires ou triplets. Plus vous essayez
d’éloigner un quark d’un autre quark, plus la force qui les lie augmente,
de sorte qu’ils sont en définitive inséparables. On dit que les quarks sont
confinés. Pourtant, si vous projetez des protons les uns contre les autres
à de très hautes énergies, vous allez obtenir une soupe de quarks et de
gluons dans laquelle les quarks seront libres de se déplacer. On parle
alors de déconfinement des quarks dans le plasma quarks/gluons.
Pourquoi ce déconfinement? «C’est un peu comme sur un domaine de ski.
Lorsqu’il n’y a pas beaucoup de neige, les pistes peuvent être séparées
par des zones herbeuses et les skieurs sont confinés sur leur piste.
Par contre, s’il y a beaucoup de neige, ils peuvent aller de l’une à l’autre.
Ils sont déconfinés.» Les physiciens n’ajouteront pas de la neige mais
de l’énergie: plus on augmente l’énergie des quarks, plus la force qui
les lie s’affaiblit, de telle sorte qu’à partir d’un certain seuil d’énergie, on
peut les séparer.
Cet état de plasma quarks-gluons était probablement celui de la matière
quelques microsecondes après le Big Bang. C’est pourquoi les physiciens
souhaitent l’étudier grâce aux faisceaux d’ions de plomb produits
par le LHC. Ceux-ci sont, en effet, très riches en protons et neutrons. Ils
peuvent atteindre une énergie de 1 150 TeV nécessaire pour produire
et examiner, avec plus de précision que dans les expériences précédentes,
le plasma quarks/gluons régnant au début de l’Univers.
Le mystère de l’antimatière
Enfin, un dernier détecteur porte le nom de LHCb, acronyme de Large
Hadron Collider beauty. Son objectif est de mieux apprécier les subtiles
différences entre matière et antimatière afin de mieux comprendre ce qui
est arrivé à l’antimatière de l’Univers.
En effet, à chaque particule correspond une antiparticule qui a, entre
autres, la même masse mais une charge électrique opposée. Ainsi,
à l’électron de charge négative correspond l’antiélectron (ou positon)
de même masse, mais de charge positive. Lorsqu’un électron et un antiélectron
se rencontrent, ils s’annihilent en produisant une gerbe d’énergie.
D’après le modèle standard de la physique des particules, autant de
matière que d’antimatière ont dû être créées au début de l’Univers. Par
conséquent, toutes les particules auraient dû s’annihiler entre elles et
l’Univers devrait être vide. Pourtant, comme chacun peut le constater,
la matière y abonde!
D’où la question que tentera de clarifier le LHCb: où donc est passée
l’antimatière? Une réponse possible repose sur la faculté de certaines
particules de se transformer en leur antiparticule et vice-versa. Dans ce
cas, l’existence de la matière repose sur l’hypothèse – qui reste à prouver
– que la transformation des antiparticules en particules est favorisée par
rapport à la transformation inverse en ce début de l’Univers. In fine, le
processus d’annihilation entre matière et antimatière aurait engendré
un Univers où la matière l’a emporté sur son opposé.
Un tel déséquilibre est-il démontrable? En réalité, il a déjà été observé
expérimentalement avec des particules de type quarks, appelées
kaons. Les antikaons se transforment spontanément en kaons, mais
l’inverse se produit moins souvent. Le LHCb étudiera un autre candidat,
le méson B contenant, entre autres, une particule (ou son antiparticule)
élémentaire dénommée quark b, ou encore beauty (d’où le charmant
petit nom du LHCb).
Si les particules ne peuvent être vues, il est en revanche
possible de les détecter. Pour ce faire, le LHC est équipé de
dispositifs constitués de plusieurs couches concentriques de
détecteurs qui, à la manière d’un oignon,...
Si les particules ne peuvent être vues, il est en revanche
possible de les détecter. Pour ce faire, le LHC est équipé de
dispositifs constitués de plusieurs couches concentriques de
détecteurs qui, à la manière d’un oignon, entourent le faisceau
de particules où se produisent les collisions. Chaque couche
est dédiée à un type de détection particulier.
Au centre du détecteur, on trouve une chambre à trace.
L’intérieur de celle-ci contient des millions de semi -
conducteurs qui, lorsqu’ils sont touchés par une
particule, produisent des impulsions électroniques
enregistrées par des ordinateurs. Il est ainsi possible
de reconstituer leurs trajectoires.
Dans tout le détecteur règne également un champ
magnétique. Ce dernier permet de repérer et d’étudier les
trajectoires des particules chargées, telles les électrons
ou les protons, et qui sont donc sensibles au champ.
Un autre dispositif consiste en un détecteur de trace à
calorimètre. Certains calorimètres stoppent les particules
comme les photons ou les électrons, d’autres sont conçus
pour arrêter les protons et les neutrons. Ils mesurent
l’énergie perdue par les particules qui les pénètrent.
Les promesses du grand collisionneur
