Le Grand collisionneur de hadrons (LHC), le plus grand accélérateur de particules du monde, fonctionne à plein régime depuis mardi, après une mise à niveau de trois ans. Les scientifiques espèrent que, dans les années à venir, le LHC leur apportera de nouvelles connaissances sur les plus grandes questions non résolues de la physique. « Il y a encore beaucoup de questions », résume Freya Blekman, physicienne des particules au DESY, le laboratoire national allemand pour la physique des particules, et professeure invitée de physique à la VUB.
Après une pause de trois ans, au cours de laquelle le LHC a reçu les mises à niveau nécessaires, il a été redémarré en avril. Depuis mardi, le colossal accélérateur de particules situé près de Genève, en Suisse, tourne même à plein régime. Au cours des quatre prochaines années, le LHC fera entrer en collision des particules à des niveaux d’énergie sans précédent – jusqu’à 14 milliards de téraélectronvolts (TeV). Le CERN, l’organisation européenne qui effectue des recherches sur les particules élémentaires, l’a annoncé lundi dans un communiqué de presse: « Une nouvelle saison de physique commence maintenant. »
Selon Mme Blekman, cela permettra au LHC de recueillir autant de données au cours des quatre prochaines années qu’au cours des douze précédentes. « Cela signifie que nous pouvons étudier beaucoup mieux les particules que nous connaissons déjà, car nous avons déjà beaucoup de données. En outre, nous pouvons aussi plus facilement rechercher de nouvelles particules non découvertes », explique la physicienne à la rédaction de Business AM.
« Chaque collision produit une combinaison différente de particules »
Pour faire ces découvertes, deux faisceaux de protons, particules chargées positivement que l’on trouve dans les noyaux atomiques, seront accélérés dans des directions opposées à des vitesses frôlant celle de la lumière à travers l’anneau de 27 kilomètres de long du LHC. Lorsque ces particules entrent en collision, d’énormes quantités d’énergie sont libérées.
Au cours de ces collisions, toutes sortes de particules fondamentales (comme le boson de Higgs) sont formées pendant un temps très court. En étudiant ces particules (et la signature énergétique qu’elles laissent derrière elles), les scientifiques peuvent découvrir si les théories actuelles sur l’univers sont correctes. « Chaque collision est unique et produit une combinaison différente de particules. Certaines sont très courantes, d’autres, comme la particule de Higgs, sont plus rares », explique Mme Blekman.
L’existence de cette particule élémentaire, qui porte le nom du physicien britannique Peter Higgs, est cruciale pour prouver que le modèle dit standard de la physique des particules est correct. Le modèle tente d’expliquer la physique fondamentale de l’univers, bien qu’il ne soit pas encore complet.
Le modèle standard n’est pas encore complet
Le modèle standard est en fait une sorte de cadre qui explique deux choses fondamentales sur le fonctionnement de l’univers.
Tout d’abord, la théorie décrit les particules fondamentales qui donnent naissance à la matière. Il s’agit notamment des électrons et des quarks up et down (les particules qui forment les protons et les neutrons), mais aussi de leurs cousins plus lourds comme le muon, le tau et les itérations plus lourdes correspondantes des quarks.
Elle décrit également comment ces particules interagissent entre elles. Cela se fait par l’intermédiaire des bosons, une sorte de « particules messagères » qui transmettent les forces élémentaires de la nature. Pensez par exemple au photon, porteur de la force électromagnétique, ou à la désormais célèbre particule de Higgs. Ces dernières fourniraient indirectement une masse aux autres particules élémentaires.
Cependant, il y a encore des choses qui ne peuvent pas être expliquées par le modèle standard, comme la gravité, rappelle Blekman. Bien que les scientifiques aient depuis longtemps émis l’hypothèse qu’il pourrait également s’agir d’une particule correspondante, le graviton, rien ne le prouve à ce jour.
« Nous cherchons également des réponses à ces questions. Par exemple, il existe des prédictions concernant les gravitons, mais ils seraient de toute façon très rares. Une autre chose que nous ne pouvons pas encore explique, c’est pourquoi quelque chose a une certaine masse », explique la physicienne. Pourtant, il y a du progrès : Blekman estime que la découverte de la particule de Higgs a déjà ouvert beaucoup de perspectives. « Maintenant, nous ne demandons plus pourquoi les particules ont une masse, mais pourquoi ce mécanisme de Higgs donne à ces particules une masse et pourquoi cette masse diffère pour chaque particule. »
En route vers de nouvelles découvertes
Bien qu’il reste encore beaucoup de travail à faire, les scientifiques espèrent faire de nouvelles découvertes avec le LHC modernisé. Avant tout, ils veulent en savoir plus sur la particule de Higgs. Bien que son existence ait été une énorme découverte, Mme Blekman affirme qu’il reste encore beaucoup à apprendre à son sujet. « Il y a encore beaucoup de questions, mais c’est bien, parce que nous sommes nombreux », a-t-elle déclaré.
Mais la particule de Higgs est loin d’être la seule énigme que les chercheurs veulent résoudre. Par exemple, l’une des neuf expériences qui seront menées avec le LHC au cours des prochaines années examinera à quoi ressemblait la matière lorsque l’univers n’était âgé que de 10 microsecondes.
Avec une autre expérience, les scientifiques veulent en savoir plus sur la nature des rayons cosmiques. Il s’agit de noyaux atomiques et de protons qui voyagent dans l’univers à une vitesse proche de celle de la lumière. Le rayonnement cosmique présente un risque important pour les astronautes : on pense qu’il est à l’origine d’une série de problèmes de santé chez les personnes qui y sont exposées pendant une longue période, notamment des cancers, le mal des rayons et des maladies dégénératives.
Une feuille de route pour l’étude de la matière noire
Après le cycle actuel, le LHC subira une nouvelle mise à niveau. À partir de 2029, le « LHC à haute luminosité » devrait réaliser d’autres expériences, dans lesquelles on espère que les réactions détectables seront jusqu’à dix fois plus nombreuses.
Dans un avenir plus lointain, un successeur potentiel du LHC, le Future Circular Collider (FCC), pourrait être capable d’effectuer des collisions jusqu’à 100 TeV. Grâce à cela, les physiciens espèrent acquérir une compréhension encore plus profonde du fonctionnement de l’univers.
L’une des questions les plus importantes que le CERN espère résoudre avec le LHC et les éventuels futurs accélérateurs de particules est l’existence de la matière noire. Il s’agit d’une forme hypothétique de matière qui ne peut être détectée et qui n’interagit pas avec la matière « ordinaire » ou le rayonnement électromagnétique tel que la lumière.
Pourtant, les scientifiques sont convaincus de son existence : sans la matière noire, les galaxies n’auraient pas assez de gravité pour se former. « Si vous regardez l’univers, seuls cinq pour cent sont constitués de particules telles que nous les connaissons. Le reste est constitué de matière noire et d’énergie noire », rappelle Blekman.
« L’avantage d’un tel accélérateur de particules est qu’il pourrait produire de la matière noire de manière aléatoire. C’est extrêmement rare, cependant. » À la question de savoir comment les scientifiques peuvent savoir que de tels résultats sont bien de la matière noire, puisque celle-ci n’interagit pas avec la matière normale, Mme Blekman répond : « En gros, nous procédons comme des parents qui vérifient si leur enfant a été dans le pot de biscuits. Nous regardons simplement les collisions où il sort soudainement moins d’énergie que ce que nous y avions mis. »
MB
