Multiples «bangs» dans les entrailles du CERN

Les chercheurs ont regardé fébrilement les écrans dans l'attente de la première collison. Keystone

Quelques heures de suspense et un grand cri de joie: ce mardi 30 mars 2010 à 13h06, les quatre détecteurs du LHC ont enregistré les premières collisions de particules à haute énergie. La date marquera le début d’une ère nouvelle dans la compréhension des structures intimes de la matière.

«C’est un grand jour pour être physicien des particules. Tellement de gens ont attendu longtemps cet instant. Leur patience et leur dévouement commencent maintenant à payer leurs dividendes», a aussitôt commenté Rolf Heuer, directeur général du CERN.

Répartis entre les deux salles de presse, le centre informatique et les salles de contrôle des quatre détecteurs qui jalonnent les 27 kilomètres du LHC (enterré à cheval sur la frontière franco-suisse aux portes de Genève), les quelque cent journalistes venus du monde entier pour ce «First Physics Event» ont accueilli la nouvelle au milieu des visages radieux, des applaudissements et de la valse des bouchons de champagne.

C’est que la journée avait plutôt mal commencé: arrivés sur place à 6 heures du matin, les plus assidus s’attendaient à ce que «la chose» se produise dès 7 heures.

Mais un problème électrique à 6h30, puis une légère augmentation de température peu avant 9h00 ont retardé la montée en puissance des particules, dont les premiers faisceaux se sont «perdus» dans les cibles de béton prévues pour ce genre de cas.

Incidents mineurs, sans rapport avec la panne survenue en septembre 2008, qui avait contraint le plus grand accélérateur de particules du monde à un arrêt forcé de plusieurs mois, quelques jours à peine après son premier démarrage.

Record mondial de puissance

«Que sont quelques heures de retard en regard de l’âge de l’univers [13,7 milliards d’années]?», philosophe Yves Schutz, directeur de recherche au CNRS et attaché à ALICE, un des quatre détecteurs géants du LHC.

«C’est que cette machine est un outil unique, expérimental et très délicat à régler, rappelle le physicien français. Les deux faisceaux de particules sont extrêmement fins et vont en sens opposé. Donc, il faut à la fois bien viser et bien synchroniser.»

A peu près comme si on «tirait» au moyen de deux super canons deux paquets d’épingles depuis les deux rives de l’Atlantique et que l’on parvienne à les faire se rentrer dedans à mi-chemin, au-dessus de l’océan.

A cette différence près qu’ici, tout va beaucoup plus vite. Lancées à 99,99999…% de la vitesse de la lumière (300’000 km/s), les particules font 11’245 fois le tour de l’anneau en une seule seconde. Et en vertu du fameux E=mc² d’Einstein, elles se chargent alors d’une énergie qui augmente avec la vitesse. C’est cette énergie qui intéresse les physiciens.

Avec la collision frontale de deux faisceaux à 3,5 TeV (tera-électron-volts), on atteint 7 TeV, soit plus de trois fois l’énergie dégagée dans l’accélérateur du Fermilab de Chicago. Et à pleine puissance, le LHC devrait permettre d’atteindre 14 TeV !

Pour donner une image, on peut dire que 1 TeV est à peu près l’énergie cinétique d’un moustique en vol. Mais dans le cas des collisions de particules, cette énergie est concentrée dans un espace mille milliards de fois plus petit que l’insecte. Ce qui la rend proprement titanesque.

Le facteur chance, ou la bonne volonté des quarks

Ces énergies seront-elles suffisantes pour comprendre ce qui s’est passé dans les premières secondes suivant le Big Bang, ce que sont la matière et l’énergie noire, pourquoi l’Univers est fait de matière plutôt que d’antimatière ou si le boson de Higgs (qui expliquerait la masse des particules) est plus qu’une construction théorique ?

Normalement oui. A condition toutefois d’avoir des collisions à énergie maximale. C’est ainsi seulement que naîtront des particules encore inconnues. Mais pour cela, il faudra aussi…. un peu de chance.

Comme son nom l’indique, le LHC (Large Hadron Collider) est un accélérateur-collisionneur de hadrons, soit de protons et de neutrons, composants du noyau des atomes. Mais les hadrons ne sont pas des particules élémentaires, ils sont eux-mêmes faits de quarks, «grains» de matière encore plus petits.

Or, les quarks ne cessent de bouger à l’intérieur des neutrons et des protons, et ceci de manière totalement imprévisible. On est ici dans le domaine de la mécanique quantique, qui prévoit – entre autres propriétés exotiques, qu’un quark peut parfaitement se trouver en deux endroits à la fois !

«Ce ne sont pas les protons qui entrent en collision, mais leurs composants élémentaires. Or, ces composants bougent de manière aléatoire par rapport à la direction du faisceau. Donc, les collisions intéressantes sont celles dans lesquelles l’impulsion des particules élémentaires va dans la même direction que l’impulsion du faisceau», résume Yves Schutz.

Autrement dit, si vous courez à l’intérieur d’un train dans le sens de la marche et que celui-ci entre en collision avec un autre, vous risquez de vous faire beaucoup plus mal (ou de subir une collision beaucoup plus énergétique) que si vous courez en sens inverse.

Mais personne ne peut décider dans quel sens courent les quarks. Ni même le savoir.

L’avenir en ligne

Les électrons, par contre, ne présentent pas ces inconvénients, car ce sont des particules élémentaires. «Lors d’une collision d’électrons, c’est la totalité de l’énergie qui est disponible», confirme Yves Schutz. Et les résultats, débarrassés des incertitudes liées au comportement des quarks, sont nettement plus précis.

Pour l’avenir, le CERN envisage donc déjà la construction d’un nouvel accélérateur d’électrons, comme l’était le LEP, précurseur du LHC. Mais cette fois, l’accélération s’y fera dans des tubes rectilignes. Les électrons en effet, perdent de l’énergie dans les virages.

Avec les progrès des techniques d’accélération, deux tubes de 15 kilomètres devraient suffire pour frôler la vitesse de la lumière.

Mais ceci est une autre histoire. Et pour l’instant, celle du LHC vient à peine de commencer.

Marc-André Miserez, swissinfo.ch au CERN

LHC

27 km. Le LHC, on Grand Collisionneur de Hadrons, est un double anneau de 27 kilomètres de circonférence, dans lequel on fait tourner en sens inverse des «paquets» de protons avant de les faire se percuter les uns contre les autres.

Aimants. Guidés et accélérés par plus de 1800 aimants supraconducteurs, les protons atteignent une vitesse proche de celle de la lumière et emmagasinent une énergie telle que leurs collisions créent de nouvelles particules. L’énergie se condense ainsi en matière en vertu de la fameuse équation d’Einstein E=MC2.

Particules. Ces particules sont les mêmes que celles qui ont existé dans les tous premiers instants après le Big Bang, l’explosion initiale dont est né l’univers il y a plus de 13 milliards d’années.

Détecteurs. Les objets ainsi créés sont tellement petits et leur durée de vie est si brève que pour en voir la trace, on doit construire des détecteurs géants et ultra sensibles. Ainsi, CMS, le plus lourd d’entre eux (12’500 tonnes), peut être comparé à un appareil photo numérique qui prendrait 40 millions d’images en 3D à la seconde, avec une résolution de 100 millions de pixels.

20 pays membres. Le CERN a été fondé en 1954 par 12 Etats, dont la Suisse, et compte aujourd’hui 20 pays membres. L’un de ses ingénieurs en informatique est l’inventeur du World Wide Web, qui a fait d’Internet un outil à la portée de tous.