Dix ans de physique du LHC: explorer des mondes inconnus

Publié par Adrien le 01/04/2020 à 09:00
Source: CERN
Le 30 mars 2010, une bouteille de champagne fut brisée, au sens figuré, sur la proue du Grand collisionneur de hadrons (et plusieurs autres ont été débouchées au sens propre): l'accélérateur phare du CERN se préparait à entreprendre un périple (Avant de désigner un voyage (agréable ou non, court ou long, sur mer ou non, effectif ou spirituel) et ce que celui-ci peut compter comme escales, rencontres et aventures,...) de tous les records, en produisant les premières collisions de protons à une énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) de 3,5 téraélectronvolts (TeV) par faisceau, avec à la clé la promesse d'explorer d'étranges nouveaux mondes à la frontière (Une frontière est une ligne imaginaire séparant deux territoires, en particulier deux États souverains. Le rôle que joue une frontière peut fortement varier suivant les régions et les époques. Entre les pays de...) des hautes énergies. Depuis, le plus grand instrument scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et...) jamais construit a permis aux scientifiques d'étudier divers phénomènes de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...), des travaux couronnés par la découverte du boson de Higgs (Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l'existence a été proposée en 1964 par Gerry Guralnik, C.R. Hagen, et Tom Kibble; Robert Brout et François Englert (et nommé « boson scalaire...) en 2012.


La Page 1 du LHC juste après les premières collisions de haute énergie dans le LHC. Cette page indique l'état de fonctionnement de l'accélérateur. (Image: CERN)

Le LHC n'a pas été construit uniquement pour chercher le boson (Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés de symétrie particulières lors de l'échange de particules : un...) de Higgs ou pour prouver, au contraire, qu'il n'existait pas ! Ces dix dernières années, il a permis aux scientifiques de tester le Modèle standard de la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi parfois physique des hautes...) avec une précision jamais atteinte auparavant, confirmant la solidité de la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance...). Outre les collisions proton-proton, qui sont le lot quotidien du LHC, les scientifiques ont utilisé des collisions de noyaux de plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin plumbum.) pour recréer et étudier les conditions qui existaient dans l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) primordial, lorsque les quarks et les gluons se déplaçaient librement. Par ailleurs, le boson de Higgs, particule élémentaire (On appelle particules élémentaires les constituants fondamentaux de l'univers décrits par le modèle standard de la physique des particules. Ces particules subatomiques sont dites...) sans moment angulaire (En physique, le moment angulaire ou moment cinétique est la grandeur physique qui joue un rôle analogue à la quantité de mouvement dans le cas des rotations. Comme le moment...) intrinsèque, la première de ce type, a ouvert à la physique des perspectives entièrement nouvelles.

Le chemin menant aux collisions proton-proton à l'échelle du téraélectronvolt était jalonné d'obstacles. Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) commence en 1977, lorsqu'une machine, qui deviendra plus tard le LHC, est imaginée pour la première fois. Jamais auparavant un collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.) de hadrons de cette taille et de cette énergie n'avait été construit. Il faut donc développer l'expertise technique et scientifique nécessaire pour mener à bien le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et...). Des collaborations mondiales sont formées pour concevoir et construire un détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été...) à chacun des quatre points de collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) le long de l'anneau.

Des faisceaux de protons traversent la machine pour la première fois le 10 septembre 2008, mais une panne électrique survenue seulement neuf jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les...) plus tard met l'accélérateur hors service pendant plus d'une année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.). Les premières collisions de basse énergie sont enregistrées le 23 novembre 2009. Une semaine plus tard, le LHC reprend le flambeau du Tevatron de Fermilab comme le collisionneur produisant les énergies les plus élevées du monde (Le mot monde peut désigner :), atteignant 1,18 TeV par faisceau. En mars de l'année suivante, le LHC entre en terra incognita en réalisant des collisions à une énergie de 3,5 TeV par faisceau. Ce jour-là, lorsque les quatre grands détecteurs du LHC - ALICE, ATLAS, CMS et LHCb - observent pour la première fois les débris de collisions de haute énergie, le Centre de contrôle (Un centre de contrôle, dans le domaine de l'astronautique, est une salle d'où sont coordonnées les actions qui concourent à l'accomplissement d'une mission spatiale telles qu'un...) du CERN retentit d'un tonnerre (Le tonnerre est un bruit qui est produit par l'expansion brutale de la fine colonne d'air qui a été chauffé très rapidement par la foudre au cours d'un orage.) d'applaudissements accompagnés de larmes de joie et de soulagement. C'est le couronnement de 30 ans de rêves, de projets et de dévouement. Les premiers articles présentant les résultats initiaux sont publiés quelques jours plus tard et, en quelques mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.), le LHC permet de "redécouvrir" les particules du Modèle standard, alors que des décennies avaient été nécessaires pour les mettre en lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm...).

Revivez les instants qui ont mené aux premières collisions de haute énergie du LHC (Vidéo: CERN)

Au cours des dix années qui ont suivi, nous avons été témoins des capacités extraordinaires non seulement du LHC, mais également des détecteurs qui enregistrent les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) issues des collisions. Si les performances de l'accélérateur ont dépassé toutes les attentes, il en va de même pour ces appareils expérimentaux, qui enregistrent, chaque instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une durée.), un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de collisions bien plus important que celui pour lequel ils avaient été conçus tout en filtrant les collisions les plus intéressantes en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) de leur analyse. Les collaborations qui les exploitent ont publié des centaines d'articles scientifiques s'appuyant sur des données uniques dans tous les sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du...) du terme.

Pourtant, la saga du LHC ne fait que commencer. La machine devrait fonctionner jusqu'à la fin de la décennie (Une décennie est égale à dix ans. Le terme dérive des mots latins de decem « dix » et annus « année.) 2030 et près de 95 % du volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) de données promis sont encore attendus. L'analyse des données (L’analyse des données est un sous domaine des statistiques qui se préoccupe de la description de données conjointes. On cherche par ces méthodes à donner les liens pouvant exister...) recueillies jusqu'à présent, notamment en ce qui concerne les phénomènes liés au boson de Higgs, indique toutefois déjà la direction qu'un futur accélérateur devrait prendre.

Dans les semaines à venir, pour marquer les dix premières années de l'une des plus grandes entreprises scientifiques de l'humanité, nous publierons sur home.cern une série d'articles consacrés aux résultats de physique qui ont forgé notre compréhension de l'Univers, de l'étude du Modèle standard et de l'Univers primordial, aux nouvelles perspectives ouvertes par la découverte du boson de Higgs, en passant par les mystères de la matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre), traduction de l’anglais dark matter, désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d’effets inattendus, notamment au sujet...), et plus encore. Célébrons ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble),...) les dix ans de la physique du LHC.
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