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Redémarrage du LHC : vers une nouvelle physique ?

Redémarrage du LHC : vers une nouvelle physique ?

03.06.2015, par
Schéma des améliorations apportées au LHC
Schéma des améliorations apportées au LHC
Après deux ans de pause technique et deux mois de tour de chauffe, le grand collisionneur de hadrons a recommencé à collecter des données. Tour d’horizon des découvertes espérées.

Les protons étaient fin prêts pour le tour de chauffe. Bientôt, quarante millions de ces particules s’entrechoqueront chaque seconde à l’intérieur du grand collisionneur de hadrons (LHC) du Cern, à la frontière franco-suisse, qui vient de redémarrer pour une nouvelle campagne de mesures. Lors de la précédente, qui s’est achevée en février 2013, cet accélérateur de particules avait permis de débusquer le boson de Higgs, la clé de voûte du « modèle standard », la théorie physique la plus précise à l’heure ­actuelle dans la description des interactions fondamentales. L’enjeu est désormais de dépasser les frontières de cette théorie pour découvrir des territoires inexplorés.

Pour atteindre ce but, les physiciens s’appuieront toujours sur les quatre grandes expériences qui analysent les collisions de protons qui se produisent dans le gigantesque anneau de 27 kilomètres de circonférence : Atlas, CMS, Alice et LHCb. Mais cette fois, les collisions auront lieu à une énergie beaucoup plus grande : 13 TeV, soit 13 000 milliards d’électrons-volts, contre 8 TeV précédemment. Cette énergie libérée à chaque choc entre protons se transforme en masse, c’est-à-dire en une ribambelle de nouvelles particules. Plus l’énergie est grande, plus la probabilité d’observer des particules lourdes et rares augmente.

Cap sur la supersymétrie…

Ces nouvelles particules pourraient être celles de la supersymétrie, « l’hypothèse théorique favorite pour aller au-delà du modèle standard », explique Yves Sirois1, responsable de l’expérience CMS pour la France. À chaque particule que nous connaissons correspondrait une particule jumelle dite supersymétrique. « Cela expliquerait la valeur de la masse du boson de Higgs que l’on a découvert, poursuit Yves Sirois. Cette valeur est très troublante parce qu’elle place le vide dans une situation instable, comme si l’Univers entier risquait de se désintégrer à chaque instant ! » Avec la supersymétrie, on saurait pourquoi le vide est aussi stable qu’on l’observe. « Cette théorie semble aussi nécessaire pour unifier toutes les interactions, y compris la gravitation », ajoute Costas Bachas2, directeur du Laboratoire de physique théorique de l’ENS. « Neutralino, gluino, squark… Il y a tout un bestiaire supersymétrique que l’on pourrait découvrir avec le LHC », renchérit Laurent Vacavant3, responsable de l’expérience Atlas au Centre de physique des particules de Marseille. Sans oublier que, si la théorie de la supersymétrie s’avère juste, ce n’est pas un, mais cinq bosons de Higgs qui devraient exister !

Neutralino, gluino,
squark… Il y a tout
un bestiaire
supersymétrique
que l’on pourrait
découvrir
avec le LHC.

Certaines de ces particules seront peut-être trop lourdes pour être directement découvertes, même avec plus d’énergie. « L’enjeu scientifique du LHC n’est pas seulement de trouver de nouvelles particules, prévient Tiziano Camporesi, porte-parole de l’expérience CMS, la grande majorité des résultats que nous publions concernent des mesures de précision. » Plutôt que de guetter l’arrivée d’un nouveau spécimen de particules, il s’agit de mesurer dans les plus fins détails ce que l’on connaît de la théorie pour traquer d’éventuels écarts par rapport aux prédictions. Ces écarts trahiraient l’existence de nouvelles particules ou de nouveaux phénomènes sous-jacents.

Pour cela, il n’y a pas que l’énergie qui compte, la capacité à accumuler des données aussi. Avec un nombre de collisions par seconde multiplié par deux, le LHC nouvelle saison offrira aux physiciens la possibilité de réaliser des analyses statistiques plus poussées des événements rares. Un exemple avec le boson de Higgs : on connaît sa masse avec une précision extraordinaire, et on sait qu’il donne leurs masses aux autres particules en interagissant avec elles. Mais on ne connaît pas aussi précisément la valeur de tous ces couplages. Or, une fois créé, ce boson peut se désintégrer en plusieurs particules, selon divers « canaux », certains plus probables que d’autres. « En observant les canaux de désintégration rares du boson de Higgs, on pourrait voir un léger décalage avec nos prédictions qui serait le signe d’une nouvelle physique », espère Ursula Bassler, directrice adjointe scientifique à l’Institut national de physique nucléaire et de physique des particules du CNRS.

… et sur la mystérieuse matière noire

Le LHC aidera peut-être à résoudre quelques-uns des grands mystères qui perdurent dans notre compréhension du cosmos. La matière noire, par exemple, qui compose plus d’un quart de l’énergie de l’Univers, reste indétectable malgré les effets gravitationnels à l’échelle des galaxies qu’elle cause. De quoi est-elle faite ? Si elle est constituée de particules massives, celles-ci n’interagissent que très peu avec la matière ordinaire. Dans le cas où elles apparaîtraient après une collision, elles s’échapperaient donc du détecteur sans être vues. « Mais en faisant un bilan d’énergie, nous constaterions un manque que nous pourrions attribuer à la matière noire. Une particule supersymétrique comme le neutralino serait un bon candidat, mais il y en a d’autres », souligne Yves Sirois.

Faisceau de protons
Le détecteur CMS a vu circuler son premier faisceau de protons le 5 avril dernier.
Faisceau de protons
Le détecteur CMS a vu circuler son premier faisceau de protons le 5 avril dernier.
 

L’enjeu du LHC
n’est pas seulement
de trouver
de nouvelles
particules, mais
aussi d’effectuer
des mesures
de précision.

Une autre grande question est celle de l’antimatière, dont on connaît déjà l’existence. À toute particule de matière correspond une particule d’antimatière, similaire mais de charge opposée. Le Big Bang devrait avoir créé matière et antimatière dans les mêmes proportions. Pourquoi y a-t-il donc tant de matière et si peu d’antimatière dans l’Univers ? Comprendre les subtilités des interactions fondamentales, notamment avec l’expérience LHCb, apportera peut-être des indices à ce problème épineux. L’expérience Alice reconstituera, elle, le plasma quarks-gluons qui a régné dans l’espace moins d’une microseconde après le Big Bang. Les quarks, ce sont ces particules élémentaires de matière assemblées entre elles par les gluons pour constituer d’autres particules comme les protons et les neutrons. Aujourd’hui liés, quarks et gluons ont pu se déplacer librement dans ce court instant chaud et dense qui a suivi la naissance de l’Univers ; des conditions recréées au LHC à chaque collision.

Les théoriciens imaginent découvrir beaucoup d’autres phénomènes plus exotiques : un boson de Higgs « composite », des traces de dimensions spatiales supplémentaires, des signatures de microtrous noirs… Mais il reste aussi la possibilité que l’on n’observe aucune trace d’une nouvelle physique. « Personne ne le souhaite, mais cette non-découverte serait aussi un résultat, indique Costas Bachas. N’excluons rien. Peut-être même y aura-t-il une surprise que personne n’a prévue ? » Réponse dans plusieurs mois, voire plusieurs années, le temps d’analyser les données.

 

Notes
  • 1. Laboratoire Leprince-Ringuet (CNRS/École polytechnique).
  • 2. Unité CNRS/ENS/UPMC.
  • 3. Unité CNRS/Aix-Marseille Univ.
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Auteur

Sylvain Guilbaud

Sylvain Guilbaud, né en 1986, est journaliste scientifique. Ingénieur de formation, il est diplômé de l’École supérieure de journalisme de Lille et anime le blog http://madosedescience.wordpress.com.

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