Thème 2 – Lorsque l’objectif est une découverte en physique

 

Intervenant : Dr Archana Sharma (Chercheure principale au Département de physique du CERN)

 

De quoi l’univers est-il fait ?

 

Le Dr A. Sharma précise que le CERN étudie les éléments constitutifs de la matière et les forces qui contrôlent leur comportement, le tout s’inscrivant dans un modèle connu sous le nom de « Modèle standard ». Elle attire l’attention sur les forces fondamentales de la nature dont dépend la vie, à savoir l’électromagnétisme, la force nucléaire forte, la force nucléaire faible et la gravité. C’est l’ensemble de ces forces qui fait briller le soleil, par exemple.

Le travail du CERN consiste à recréer les conditions du Big Bang afin d’améliorer notre compréhension de l’univers. Le CERN s’appuie à cet effet sur les informations expérimentales fournies par les télescopes, qui donnent une vue de l’univers très éloignée dans le temps et l’espace, ainsi que sur l’utilisation d’accélérateurs, dont le Grand collisionneur de hadrons (LHC).

 

Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) :

 

Le LHC est constitué d’un anneau de 27 km le long duquel des faisceaux de protons contrarotatifs entrent en collision. Les collisions produisent des particules susceptibles d’avoir été présentes lors du Big Bang. Certaines de ces particules sont très attendues, tandis que d’autres sont insoupçonnées, hypothétiques ou même disparues. Par exemple, le boson de Higgs a été une théorie pendant de nombreuses années avant d’être découvert.

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Conformément à l’équation E = mc2, il est possible de constater que l’énergie générée lors d’une collision se transforme en masse. C’est le boson de Higgs qui donne une masse à d’autres particules en déclenchant la brisure de symétrie électrofaible. Avec suffisamment d’énergie, un boson de Higgs peut être produit dans un collisionneur. La théorie du boson de Higgs a été avancée pour la première fois en 1964 par François Englert, Robert Brout, Peter Higgs, Gerald Guralnik, Carl Hagen et Tom Kibble. Toutefois, elle est demeurée inconnue durant de nombreuses années après.

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Le LHC a été construit dans le but précis de découvrir le boson de Higgs. Le projet se compose de plusieurs éléments : 1) accélérateurs ; 2) détecteurs ; 3) informatique ; et 4) science collaborative à l’échelle mondiale. Les accélérateurs sont de puissantes machines qui accélèrent les particules à des énergies extrêmement élevées et les font entrer en collision avec d’autres particules. Les détecteurs sont des instruments gigantesques qui enregistrent les particules résultantes à mesure qu’elles « ruissellent » hors du point de collision. L’informatique est nécessaire pour collecter, stocker, distribuer et analyser l’énorme quantité de données produites par les détecteurs. Les données ont permis de reconnaître des modèles et de prédire la masse probable du boson de Higgs. Enfin, compte tenu de l’ampleur du projet LHC, une vaste collaboration internationale est nécessaire dans de nombreux secteurs différents. De nombreuses personnes sont impliquées, notamment des scientifiques, des ingénieurs, des techniciens, des ingénieurs informatiques, des conseillers financiers et des juristes.

 

Le LCH, une machine extraordinaire :

 

Le LHC est le plus grand appareil scientifique de la planète et son fonctionnement pose de nombreux défis. Par exemple, l’équipement doit être maintenu à 1,9 K, ce qui est plus froid que l’espace vide de l’univers. Il faut jusqu’à 20 à 30 000 ampères d’énergie pour mettre les protons en mouvement et il a été difficile de créer un câble capable de supporter un courant aussi important (de nombreux conducteurs, comme le cuivre, brûleraient). Il a également fallu créer un vide pour que les protons puissent se déplacer. Enfin, les collisions se produisent 40 millions de fois par seconde, ce qui rend difficile la collecte de données, y compris d’images.

 

Les chasseurs de Higgs :

 

ATLAS et le Solénoïde compact pour muons (CMS) sont les deux détecteurs du LHC conçus pour détecter le boson de Higgs ainsi que toute autre particule inattendue. Ils utilisent des technologies totalement différentes mais poursuivent le même objectif. Les détecteurs sont électroniques et fonctionnent en convertissant le rayonnement en une forme accessible à l’homme. Par exemple, le CMS prend des photos numériques des différentes particules générées lors d’une collision. Les photos sont prises dans toutes les directions afin de ne manquer aucune donnée. Grâce à un algorithme intégré, il est possible de trier rapidement les images et d’effectuer des coupes en fonction de leur pertinence. Ainsi, 40 millions de collisions peuvent être réduites à environ 1 000.

 

La construction des détecteurs a posé de nombreux problèmes. Par exemple, certaines pièces sont tellement énormes qu’il a été difficile de les acheminer sur le site. La taille énorme des détecteurs dans leur ensemble a également rendu leur utilisation difficile.

Des ressources humaines du monde entier sont nécessaires pour faire du projet LHC une réalité. Actuellement, quelque 6 288 personnes travaillent activement sur le CMS, dont 3 394 physiciens, parmi lesquels 1 228 étudiants, 1 102 ingénieurs et 282 techniciens originaires de 57 pays et régions.

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Les défis à relever pour détecter le boson de Higgs :

 

Le boson de Higgs est difficile à détecter pour plusieurs raisons. Premièrement, il n’est pas produit dans chaque collision. Deuxièmement, s’il est produit, il est très instable et commence immédiatement à se désintégrer en d’autres particules. La probabilité de le « capturer » est donc d’un sur un milliard. En dépit de ces difficultés, le boson de Higgs a finalement été découvert en 2012 par les détecteurs ATLAS et CMS, 48 ans après que la théorie a été avancée pour la première fois et deux ans après que les détecteurs ont été mis en service. Le fait que les deux détecteurs aient vu le boson de Higgs a confirmé la découverte.

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La découverte du boson de Higgs a été un moment très excitant et festif pour le monde entier, notamment pour le CERN, et une grande avancée pour la physique. Le projet a également été un exemple du pouvoir de la collaboration. Il a montré que le fait de faire face conjointement aux problèmes, de croire en l’autre et de se pardonner mutuellement les erreurs peut mener à de grandes choses.

 

Social impact :

 

La question se pose désormais de savoir ce que l’avenir réserve au CERN. Certaines idées incluent des expériences sur la matière noire ou l’antimatière. En outre, les technologies du CERN sont utilisées dans des projets à travers le monde. Des détecteurs ont, par exemple, été installés dans les pyramides d’Égypte où un vide a été découvert. Le CERN travaille également en étroite collaboration avec les écoles primaires dans l’espoir d’encourager les jeunes de diverses origines à se lancer dans ce domaine.

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Les travaux du CERN peuvent non seulement avoir un impact social, mais aussi bénéficier aux entreprises, à l’industrie et à de nombreux autres domaines. Il est donc important de mieux faire connaître ses recherches scientifiques et ses technologies d’avant-garde.