Au Cern, les scientifiques reprennent l'exploration des origines de l'Univers

Publié par Redbran le 16/05/2022 à 13:00
Source: CNRS IN2P3
Après une cure de jouvence de trois ans, les installations du LHC viennent d'être redémarrées. La collecte de données à venir auprès du collisionneur géant du Cern sera deux fois plus importante que les précédentes périodes d'exploitation. De quoi lever un peu plus le voile sur les secrets de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) élémentaire.


Et si le boson de Higgs se désintégrait aussi en des particules inconnues, invisibles pour les détecteurs, par exemple des particules qui pourraient constituer la matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre), traduction de l’anglais...) omniprésente dans l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) ? (Image: ATLAS/CERN)

Cette fois ça y est, après trois ans de mise à l'arrêt pour maintenance, le LHC, le collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux...) géant de particules du Cern, près de Genève, a redémarré. 100 mètres sous terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...), dans son anneau de 27 kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système...) de circonférence, des protons sont à nouveau accélérés dans les deux à une vitesse (On distingue :) proche de celle de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...), avant d'être projetés les uns contre les autres au sein des quatre détecteurs - ALICE, ATLAS, CMS, LHCb - placés le long de leur trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et...). À la clé, un concentré d'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est...) qui, en vertu de l'équivalence entre énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) et masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...), se mue en gerbes de particules qui témoignent des processus à l'oeuvre dans l'intimité de la matière.

Après une vaste cure de jouvence de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) des installations du LHC, l'énergie et la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) des collisions ont été augmentées, de même que la capacité des détecteurs à en récolter les produits. Ainsi, à l'issue de cette nouvelle période ou "run" d'une durée de quatre ans, les scientifiques qui opèrent le colosse genevois verront la masse de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) dont ils disposent multipliée par trois. De quoi leur permettre d'explorer un peu plus avant les lois fondamentales de notre Univers, dont dépendent l'histoire du cosmos et celle de toute la matière qu'il contient.

Plus précisément, le run 3 du LHC constitue la suite d'une formidable aventure scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) débutée il y a 12 ans avec la mise en service de l'accélérateur. À l'époque, l'objectif des scientifiques est principalement de mettre en évidence l'existence du boson (Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés...) de Higgs. Boson de Higgs ? Selon l'actuelle théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) en vigueur de l'infiniment petit, le modèle standard, la matière élémentaire est composée de particules de matière qui interagissent en échangeant des particules de force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...). Développé entre les années 60 et 70, ce "modèle" a vu ensuite toutes ses prédictions vérifiées. Toutes, sauf une: celle de l'existence d'une particule supplémentaire, le fameux boson, censé conférer leur masse aux particules qui en ont une. L'énergie colossale mise en jeu dans les collisions du LHC devait enfin permettre d'extirper le Higgs des recoins de l'espace-temps (La notion d'espace-temps a été introduite au début des années 1900 et reprise...) où il se terrait. Et en effet, en 2012, 48 ans après qu'une poignée de théoriciens ait prédit son existence, les expérimentateurs et expérimentatrices des expériences ATLAS et CMS, mettent en évidence le fameux boson de Higgs. La découverte, récompensée par un prix Nobel de physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les...) en 2013, parachève alors l'édification du modèle standard.


Il y a 10 ans, les collaborations Atlas et CMS annonçaient la découverte du boson de Higgs. Les images montrent des événements candidats au boson de Higgs issus de collisions entre protons dans le LHC. À gauche, un événement obtenu par l'expérience CMS montre une désintégration montre une désintégration en deux photons (lignes jaunes en pointillés et lignes vertes). À droite, un événement obtenu par l'expérience ATLAS, montre une désintégration en quatre muons (traces rouges). (Image: CMS/ATLAS/CERN)

Pour autant, dès la conception du LHC, les spécialistes de la matière lui ont assigné une autre mission: celle de les mettre sur la piste d'une nouvelle physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...), ou physique "non standard", non décrite par le dit modèle. De fait, entre matière noire, absence d'antimatière (L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière...) dans l'Univers, accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique,...) de l'expansion cosmique, incohérences formelles... ils et elles savent depuis des décennies que leur représentation des lois de l'infiniment petit comme de l'infiniment grand est incomplète. Et c'est là tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) l'enjeu du run 3: permettre aux physiciens et physiciennes d'esquisser enfin les contours d'un nouveau continent (Le mot continent vient du latin continere pour « tenir ensemble », ou continens...) physique demeuré jusqu'à aujourd'hui totalement inexploré. "On entre dans une phase d'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) de l'inconnu, témoigne Marie-Hélène Genest, au Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système...) de Grenoble, et membre de l'expérience ATLAS. On est sûr de rien, si ce n'est que le run 3 va nous permettre de réaliser de très belles mesures à la précision inégalée."

Concrètement, cette exploration empruntera de multiples voies complémentaires, en particulier auprès des expériences ATLAS et CMS dites expériences "généralistes". La première consiste à rechercher la trace (TRACE est un télescope spatial de la NASA conçu pour étudier la connexion entre le...) de particules inconnues dans le lot de celles apparues lors des collisions entre protons. Aucune observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) en ce sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) n'a été faite lors des runs précédents. "Du fait de l'énergie légèrement plus importante engagée lors des collisions [de 13 à 13,6 TeV], la probabilité de produire des événements rares et intéressants augmentera de 20% à 250% selon la masse des particules", explique Marie-Hélène Genest. De plus, grâce à la plus grande statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon....) dont disposeront les physiciens et physiciennes au terme la campagne (La campagne, aussi appelée milieu rural désigne l'ensemble des espaces cultivés...) qui débute, il n'est pas impossible que des particules plus massives et/ou à des taux de production plus faible que celles jusqu'à maintenant accessibles se manifestent.

Par ailleurs, via des stratégies de détection et d'analyses renouvelées, les scientifiques envisagent la possibilité de particules très légères qui seraient comme demeurées "sous leur radar (Le radar est un système qui utilise les ondes radio pour détecter et déterminer la...)". Enfin, ils et elles rechercheront des particules à longue durée de vie (La vie est le nom donné :) qui, se désintégrant par conséquent loin du point (Graphie) d'impact, voient leurs produits plus difficiles à identifier.

D'après les spéculations théoriques, certaines de ces particules putatives sont candidates à la résolution de l'énigme de la matière noire, demeurée invisible, mais dont les astrophysiciens croient observer les effets gravitationnels à toutes les échelles de l'Univers. D'autres seraient le signe de symétries nouvelles auxquelles obéiraient les lois les plus fondamentales, ou bien de l'existence de dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...) d'espace supplémentaires. Quoi qu'il en soit, comme l'explique Marie-Hélène Schune, au Laboratoire des 2 infinis Irène Joliot-Curie (Irène Joliot-Curie (12 septembre 1897 à Paris - 17 mars 1956 à...) et membre de l'expérience LHCb, "dans une période où l'expérience doit servir de guide pour faire le tri parmi les très nombreuses approches proposées au-delà du modèle standard, notre stratégie sera de regarder dans toutes les directions possibles sans référence à une théorie en particulier. "

En particulier, au-delà de l'observation de particules nouvelles, les scientifiques traqueront à la loupe (Une loupe est un instrument d'optique subjectif constitué d'une lentille convexe permettant...) de possibles écarts à ce que prévoit le modèle standard dans différents canaux de désintégration de particules. Comme le détaille Marie-Hélène Genest, "ces écarts pourraient en effet être le signe de l'existence de particules non standard trop massives pour se matérialiser au LHC, faute d'une énergie suffisante, mais faisant néanmoins ressentir leur influence virtuelle dans les processus quantiques accompagnant les collisions."

À cet égard, tous les regards se tourneront vers l'expérience LHCb conçue pour étudier la désintégration de particules appelées mésons B qui contiennent un quark (Les quarks sont des fermions que la théorie du modèle standard décrit, en compagnie...) beau ou son antiparticule (A chaque type de particule correspond un type d'antiparticule. Ainsi, à l'électron est...). De fait, les données enregistrées au cours des "runs" précédents ont révélé plusieurs "anomalies" dans la manière dont certains mésons beaux se désintègrent soit en électrons, soit en muons. Selon le modèle standard, les deux processus devraient être parfaitement équivalents. Or ce n'est pas le cas. De même des distributions angulaires "non standard" dans la manière dont sont émis certains produits de désintégration de ces particules ont été observés. "À cette heure, ces écarts ne sont pas encore statistiquement suffisamment significatifs pour conclure, mais ils pourraient se renforcer et finir par dessiner un paysage (Étymologiquement, le paysage est l'agencement des traits, des caractères, des formes d'un...) cohérent en faveur d'une physique inconnue", s'enthousiasme Marie-Hélène Schune.


Désintégration très rare d'un méson de beauté comprenant un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) et un positon observée dans le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change...) LHCb (Image: LHC/CERN)

Au programme du run 3, l'étude précise des propriétés du boson de Higgs sera également l'une des priorités. Lors des runs 1 et 2, les expériences ont révélé la façon dont la particule interagit avec les quarks top et beau, de même qu'avec le lepton (En physique des particules, un lepton est une particule élémentaire de spin 1/2 qui n'est...) tau, et les bosons W et Z qui véhiculent l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) faible. Désormais, les scientifiques espèrent notamment commencer à comparer son taux de désintégration en une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts...) de leptons tau à celui de la désintégration en une paire de muons.

Comme l'explique Yves Sirois, au Laboratoire Leprince-Ringuet et membre de l'expérience CMS, cette mesure touche à l'un des plus grands mystères de la matière: "on observe que les particules de matière s'organisent en trois familles parfaitement identiques sans que l'on sache pourquoi. Plus précisément, les particules des différentes familles ne se distinguent que par leur masse, c'est-à-dire via la façon dont elles interagissent avec le Higgs. Ainsi, un éventuel écart entre la manière dont le Higgs se désintègre en muons ou en taus, deux particules qui jouent le même rôle au sein de leur famille respective, pourrait nous mettre sur une piste pour comprendre pourquoi l'Univers matériel semble présenter trois copies identiques de lui-même."

Sur le terrain du Higgs, le run 3 permettra aussi les premières mesures de l'interaction de la particule avec elle-même. Ce faisant, les physiciens et physiciennes débuteront l'étude des propriétés du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de Higgs, cette entité quantique d'où est extrait le boson du même nom lors des collisions au sein de l'accélérateur, et qui baigne tout l'Univers, donnant sa structure au vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) et leur masse aux particules. "Il y a là un lien profond avec l'histoire de l'Univers, précise Yves Sirois. En effet, on sait que juste après le Big Bang, les particules n'avaient pas de masse, ce qui signifie que le champ de Higgs présentait une structure différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...). Celle-ci a-t-elle évoluée partout en même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) dans le cosmos, ou bien par croissance de régions de plus en plus vastes ? Nous n'en savons rien, de même que nous ne savons pas si le champ de Higgs, dans sa structure actuelle, est définitivement stabilisé ou pas." Amorce de réponse possible à l'issue du run 3.

Les liens entre infiniment petit et infiniment grand seront également dans la ligne de mire (Une mire est un dispositif permettant la mesure des paramètres d'un système de reproduction...) de l'expérience ALICE dont le détecteur est dédié à l'étude du plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées...) de quarks et de gluons (PQG). Obtenu en faisant entrer en collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de...) des noyaux de plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et...), il s'agit d'une sorte de "soupe" de matière ultra (ULTra (pour (en)« Urban Light Transport ») est un système de transport...) chaude et dense au sein de laquelle les quarks et les gluons, usuellement liés les uns aux autres, sont libres de se déplacer. Or, essentiel pour étudier en détails les propriétés de l'interaction forte, celle qui structure notamment les noyaux atomiques, le PQG correspond également à l'état dans lequel les cosmologistes pensent que se trouvait l'Univers quelques microsecondes après le Big-Bang (Le Big Bang[1] désigne l’époque dense et chaude qu’a connue l’univers il y a...).


Gerbes de particules dans le détecteur ALICE à l'occasion des premières collisions entre des ions de plomb de 2018 (Image: ALICE/CERN)

Impossible à observer directement, le PQG se révèle à travers les myriades de particules qu'il éjecte au sein du détecteur en même temps qu'il se refroidit et que la matière élémentaire qui le compose se réorganise. Or comme l'explique Stefano Panebianco, de l'Irfu du CEA Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région...) Saclay et membre d'ALICE, "durant les run 1 et 2, nous nous sommes concentrés sur les particules les plus couramment émises par le plasma, tels les protons et les neutrons, ainsi que quelques résonnances caractéristiques. " Ainsi, les chercheurs et chercheuses ont obtenu plusieurs résultats spectaculaires, en démontrant notamment que le plasma de quarks et de gluons se comporte tel un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) dont la viscosité serait presque nulle. Mais avec les jouvences réalisées ces trois dernières années, "nous allons avoir accès à des particules sondes contenant des quarks lourds, à la fois produites en faible nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) et aux modes de décroissance exotiques, de quoi enfin accéder à une description plus détaillée et sélective des propriétés de ces sondes", poursuit le chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...).

Celle-ci devrait notamment permettre d'apporter une réponse à la question de savoir quelle est la nature profonde de la transition qui voit le plasma brulant se muer en matière ordinaire lorsque la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) diminue. "C'est très important pour contraindre les modèles de l'histoire de l'Univers et les extrapoler jusqu'à l'ère de Planck durant laquelle le cosmos à peine sorti du Big Bang n'était encore qu'une bouillie de particules quantiques", décrit Stefano Panebianco.

Tout comme leurs collègues de l'expérience LHCb, dont l'expérience est sensible à l'asymétrie (L'asymétrie est l’absence de symétrie, ou son inverse. Dans la nature, les crabes...) entre matière et antimatière, les scientifiques d'ALICE imaginent également apporter des indices permettant d'aider à comprendre pourquoi l'Univers est totalement vide d'antimatière. Depuis un siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui...), cette énigme demeure lancinante, alors que les équations du modèle standard indiquent une symétrie (De manière générale le terme symétrie renvoie à l'existence, dans une...) quasi parfaite entre la matière et sa Némésis. De quoi faire du run 3 une formidable opportunité pour mettre le LHC au défi des plus grands mystères de l'infiniment petit comme de l'infiniment grand.

Mathieu Grousson (les Chemineurs)

Contacts:
- Perrine Royole-Degieux - Chargée de communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) (CNRS IN2P3) - royole at in2p3 (L'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) est un institut de...).fr
- Sophie Kerhoas-Cavata - Responsable de communication (CEA Irfu) - sophie.cavata at cea.fr
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