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Le LHC dans toute sa splendeur
Le LHC dans toute sa splendeur
©Reuters

Particules élémentaires

LHC, run 2 : la plus grande expérience scientifique du monde est sur le point de redémarrer

A la suite de quelques difficultés techniques, le LHC a été retardé dans son redémarrage, qui devrait finalement avoir lieu en avril. Après avoir confirmé l'existence du Boson de Higgs, il doit maintenant nous faire découvrir la nature de ce qui compose la matière noire, qui occupe presque 95% de notre univers.

Sandrine Laplace

Sandrine Laplace

Sandrine Laplace est chercheur au CNRS, à l'Institut National de Physique nucléaire et de Physique des particules.

Elle participe au programme Atlas, porté par le LHC, le plus grand accélérateur de particules jamais construit.

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Aurélien Barrau

Aurélien Barrau

Aurélien Barrau est professeur à l’Université Joseph Fourier, membre de l’Institut Universitaire de France et chercheur au Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie du CNRS.

Il a publié en mars 2013 Big Bang et au-delà - Balade en cosmologie (Ed. Dunod) qui explique, dans un langage clair et accessible, les dernières découvertes en cosmologie, et des Univers multiples paru chez Dunod en 2014.

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Atlantico : Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) de Genève doit redémarrer au mois d'avril. Concrètement, qu'est-ce qui va se passer ?

Sandrine Laplace : Le LHC a déjà fonctionné pendant trois ans, de 2009 à 2012. C'était le "run 1. Nous effectuions des collisions de particules à 8 Tev, ce qui était déjà le niveau d'énergie le plus élevé atteint dans le monde. Nous avons effectué un arrêt de deux ans pour procéder à quelques ajustements, ce qui va nous permettre de monter l'énergie des collisions à 13 Tev. Ce sera le "run 2". A chaque fois que nous augmentons l'énergie, nous ouvrons une nouvelle porte vers la "nouvelle physique", c’est-à-dire identifier des particules que nous n'avions pas pu voir jusqu'alors. La présence de ces particules pourrait expliquer un certain nombre de problèmes qui nous gênent pour le moment dans notre compréhension de l'infiniment petit.  

L'expérience aura lieu presque en continu, dix mois sur douze environ. Les équipes qui s'occupent du LHC commenceront à accélérer des paquets de particules, pour leur faire atteindre au bout de quelques heures l'énergie désirée. A partir du moment où elles ont atteint ce niveau, elles restent dans le LHC pendant une dizaine d'heures. Sur toute cette période, ces faisceaux vont entrer en collision 11 000 fois par seconde. Au bout d'une dizaine d'heures, le faisceau qui contient les particules finit par perdre en intensité. C'est alors que les équipes le remplacent par un autre. Tout cela se fait en continu, 24 heures sur 24, weekends compris.

Qu'obtient-on au bout de dix heures ?

Sandrine Laplace : Il ne faut pas concevoir l'expérience comme si elle était un enchaînement de séquences de dix heures isolées. A chaque collision qui se produit toutes les 11 000 secondes, les protons qui voyagent dans le faisceau se rencontrent, et créent des choses, que nous connaissons déjà bien pour la plupart: les protons créent des morceaux de protons, etc. Ces phénomènes sont détectés en quatre endroits de l'accélérateur, et ce en continu. Un certain nombre d'informations sont enregistrées sur disque, et traitées ultérieurement, quasiment en continu également. Car si les scientifiques attendent trop, ils sont dépassés par la quantité. Entre le moment de la collision et celui où un physicien analyse le phénomène, seulement quelques heures se sont écoulées.

Pourquoi cette expérience scientifique est-elle l'une des plus importantes aujourd'hui ?

Sandrine Laplace : La physique cherche à enquêter sur le monde à différentes échelles. Nous, nous cherchons à comprendre comment le monde fonctionne à la plus petite échelle. Nous voulons trouver les plus petits éléments constituants de la matière. Ces constituants élémentaires représentent le contenu de l'univers, il y a donc un lien entre l'infiniment petit observé au Cern, et l'infiniment grand de l'univers. Les deux extrêmes se parlent, et répondent mutuellement à des questions qui se posent. Avec le "run 2", nous voulons découvrir de nouvelles particules, car aujourd'hui, si l'on fait la somme de toute la matière connue, on obtient seulement 5 % du contenu de l'univers. Cela signifie que 95 % de l'univers est constitué d'une chose dont on ne connaît pas la nature. C'est ce qu'on appelle la matière noire, et l'énergie noire. Le LHC doit pouvoir nous permettre de lever le voile sur ce mystère.

En résumé, qu'avons-nous jusqu'ici découvert grâce au LHC ?

Sandrine Laplace : Le "run 1" a permis de découvrir le boson de Higgs, qui était recherché depuis 50 ans. C'est une chose sont on supposait l'existence, il s'agissait donc plus d'une confirmation que d'une découverte. Il aurait été révolutionnaire de na pas le trouver ! On espérait déjà trouver les nouvelles particules dont j'ai parlé. Rien de nouveau à proprement parler n'a été découvert, en revanche les expériences ont permis de mesurer avec beaucoup plus de précision les particules déjà connues. C'est également utile à la compréhension du monde.

Le LHC sert donc à satisfaire une soif de connaissance, et n'obéit pas à une logique utilitariste ?

Sandrine Laplace : Tout à fait. Ceci dit l'accélérateur de Cern est aussi un accélérateur de science dans le sens où il exige un niveau de recherche et développement très poussé, qui peut avoir des retombées sur la vie de tous les jours. Mais ce n'est que la conséquence de cet effort. En outre, le LHC mobilise des milliers de personnes venues du monde entier. S'y développe un modèle sociétal et philosophique qui va à contre-courant des conflits qui opposent les pays dont bon nombre de ces chercheurs sont issus. De nos jours il est rare d'observer une microsociété qui fonctionne aussi bien.

Pouvez-vous nous préciser ce qu'est la matière noire, et pourquoi il s'agit d'une quête de première importance ?

Aurélien Barrau : La matière noire est certainement l’une des plus grandes énigmes de la science contemporaine. Non seulement parce que celle-ci perdure depuis plus de cinquante ans mais aussi parce qu’elle n’est explicable par aucun de nos modèles "standards".

De quoi s’agit-il ? Tout simplement de l’essentiel de la masse de l’Univers ! Et nous n’avons aucune idée de ce qui la constitue !

Les étoiles représentent l’immense majorité de la matière visible dans le cosmos. Mais, par plusieurs méthodes indépendantes, et donc avec une grande fiabilité, nous avons pu établir que la masse réelle est très supérieure à la totalité de la masse des étoiles. On appelle cette masse invisible la "matière noire".

De plus, il n’est pas possible de supposer que cette matière noire est cachée à l’autre bout de l’Univers. Celle-ci se trouve également présente au sein même de notre Galaxie. Elle est tout autour de nous, elle est cinquante fois plus abondante que la matière visible, mais sa nature demeure inconnue…

Quels sont les espoirs de réussite par le LHC ? Cela pourrait-il prendre plus de temps qu'escompté ?

Aurélien Barrau : Le LHC joue un rôle important dans la résolution de cette énigme pour une raison aussi simple qu’incroyable : on a pu établir que la matière noire ne peut pas être principalement composée des particule élémentaires connues ! Elle constitue donc non seulement une étrangeté pour notre compréhension de l’infiniment grand mais aussi pour notre compréhension de l’infiniment petit. Autrement dit, il doit exister de nouvelles particules élémentaires, qui n’ont pas encore été identifiées, et qui constituent cette étrange matière noire.

Or, le grand accélérateur LHC est justement une machine à créer de nouvelles particules. Il existe donc un espoir légitime que ce dernier apporte la solution à ce paradoxe en mettant en évidence ces étranges corpuscules, dont on ne connaît presque rien, et qui dominent la masse de l’Univers. Cela révolutionnerait également notre compréhension de la structure intime de la matière.

Si le LHC ne décèle aucune particule de matière noire en 2015, cela apportera-t-il tout de même des enseignements ?

Il est en effet tout à fait possible que l’énergie du LHC ne soit pas suffisante pour produire ces particules de matière noire. Ce serait naturellement une situation un peu décevante. Elle ne serait néanmoins pas stérile. En effet, ne rien voir, c’est déjà apprendre quelque chose. Cela signifierait que certains modèles, prédisant une observation auprès du LHC, seraient alors exclus. C’est aussi la manière dont la science procède : par élimination d’hypothèses. A défaut de corroborer une théorie, il serait alors possible d’invalider certaines théories et cela n’est pas dépourvu d’intérêt.

Bien que l’existence de matière noire soit quasi-certaine, parce qu’elle repose sur de la physique bien connue et bien comprise et est confirmée par beaucoup d’observations indépendantes, on ne peut jamais exclure qu’il existe une autre solution. Par exemple qu’en réalité celle-ci ne soit qu’un artéfact dû à une erreur interprétative. Mais, aujourd’hui, rien ne le laisse croire, tout à l’inverse …

Si nous parvenons un jour à connaître la nature exacte de la matière noire, cela permettra-t-il de mieux la "cartographier" dans notre univers ?

Non, pas réellement. A dire vrai la répartition de la matière noire dans l’espace est déjà assez bien connue. Elle ne l’est pas partout (par exemple pas au centre des Galaxies) mais pour l’essentiel, ses effets sont observés et il est donc possible de savoir où elle est. Cette découverte permettrait plutôt de connaître sa véritable nature, ce qui est sans doute plus important encore.

La matière noire est un défi immense qui mobilise un nombre considérable de chercheurs de par le monde. Il s’agit d’une de nos rares indications de l’existence d’une physique non-encore comprise. C’est donc un objet de réjouissance pour les chercheurs !

Propos recueillis par Gilles Boutin

Cet article est une mise à jour d'une précédente publication.

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