Le Grand collisionneur de hadrons (LHC)

Une coupe d’ATLAS
Crédits : CERN

Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) est un gigantesque instrument scientifique situé près de Genève, à cheval sur la frontière franco-suisse, à environ 100 mètres sous terre. C’est un accélérateur de particules, avec lequel les physiciens vont étudier les plus petites particules connues : les composants fondamentaux de la matière. Le LHC va révolutionner notre compréhension du monde, de l’infiniment petit, à l’intérieur des atomes, à l’infiniment grand de l’Univers.

Deux faisceaux de particules subatomiques de la famille des « hadrons » (des protons ou des ions de plomb) circuleront en sens inverse à l’intérieur de l’accélérateur circulaire, emmagasinant de l’énergie à chaque tour. En faisant entrer en collision frontale les deux faisceaux à une vitesse proche de celle de la lumière et à de très hautes énergies, le LHC va recréer les conditions qui existaient juste après le Big Bang. Des équipes de physiciens du monde entier analyseront les particules issues de ces collisions en utilisant des détecteurs spéciaux.

Il existe de nombreuses théories quant aux résultats de ces collisions. Les physiciens s’attendent en tous cas à une nouvelle ère de physique, apportant de nouvelles connaissances sur le fonctionnement de l’Univers. Pendant des décennies, les physiciens se sont appuyés sur le modèle standard de la physique des particules pour essayer de comprendre les lois fondamentales de la Nature. Mais ce modèle est insuffisant. Les données expérimentales obtenues grâce aux énergies très élevées du LHC permettront de repousser les frontières du savoir, mettant au défi ceux qui cherchent à confirmer les théories actuelles et ceux qui rêvent à de nouveaux paradigmes.

Installation du tube à ultravide dans ATLAS

Pourquoi le LHC

Quelques questions sans réponse…

Le LHC a été construit pour aider les scientifiques à répondre à certaines questions essentielles de la physique des particules qui restent sans réponse. L’énergie sans précédent qu’il atteindra pourrait même révéler des résultats tout à fait inattendus.

Pendant les dernières décennies, les physiciens ont pu décrire de plus en plus précisément les particules fondamentales qui constituent l’Univers, ainsi que leurs interactions. Cette compréhension de l’Univers constitue le modèle standard de la physique des particules. Or, ce dernier présente des failles et n’explique pas tout. »Pour combler ces lacunes, les scientifiques ont besoin de données expérimentales, et c’est le LHC qui va permettre de franchir la prochaine étape.

L’œuvre inachevée de Newton : qu’est-ce que la masse ?

D’où vient la masse ? Pourquoi ces minuscules particules ont-elles la masse qui leur est propre ? Pourquoi certaines particules n’en ont-elles pas ? La question fait l’objet de débats. L’explication la plus plausible pourrait être le rôle du boson de Higgs, une particule » essentielle à la cohérence du modèle standard. Théorisée pour la première fois en 1964, cette particule n’a encore jamais été observée.

Les expériences ATLAS et CMS traqueront les signes de cette particule.

Un problème invisible : de quoi est constitué 96% de l’Univers ?

Tout ce que nous voyons dans l’Univers, des fourmis aux galaxies, est constitué de particules ordinaires. Ces particules sont collectivement appelées matière, et elles forment 4% de l’Univers. On pense que le reste de l’Univers est constitué de matière noire et d’énergie sombre, mais celles-ci sont malheureusement difficiles à détecter et à étudier, si ce n’est à travers les forces gravitationnelles qu’elles exercent. L’exploration de la nature de la matière noire et de l’énergie sombre est l’un des plus grands défis de la physique des particules et de la cosmologie d’aujourd’hui.

Les expériences ATLAS et CMS chercheront des particules supersymétriques afin de tester une hypothèse plausible sur la nature de la matière noire.

Le favoritisme de la Nature : pourquoi n’y a-t-il plus d’antimatière ?

Nous vivons dans un monde fait de matière : tout dans l’Univers, nous y compris, est constitué de matière. L’antimatière est comme la sœur jumelle de la matière, mais avec une charge électrique opposée. Lors du Big Bang qui a marqué la naissance de l’Univers, matière et antimatière ont normalement été produites en quantités égales. Cependant, lorsque des particules de matière et d’antimatière se rencontrent, elles s’annihilent mutuellement et se transforment en énergie. D’une façon ou d’une autre, une infime fraction de matière a dû persister pour former l’Univers dans lequel nous vivons aujourd’hui, et dans lequel il ne subsiste pratiquement pas d’antimatière. Pourquoi la Nature semble-t-elle avoir une préférence pour la matière au détriment de l’antimatière ?

L’expérience LHCb cherchera les différences entre matière et antimatière et contribuera à répondre à cette question. De précédentes expériences ont déjà révélé une légère différence de comportement, mais ce qui a été observé jusqu’à présent est loin de suffire à expliquer l’apparent déséquilibre matière-antimatière dans l’Univers.

Les secrets du Big Bang : à quoi ressemblait la matière dans les premiers instants de l’Univers ?

La matière aurait comme point d’origine un cocktail chaud et dense de particules fondamentales, formé une fraction de seconde après le Big Bang. Les physiciens pensent qu’il y avait à cet instant plus de sortes de particules fondamentales qu’il n’en reste aujourd’hui.

Afin d’étudier les particules qui n’existent plus, l’expérience ALICE utilisera le LHC pour recréer des conditions similaires à celles qui régnaient juste après le Big Bang. Le détecteur ALICE a été spécialement conçu pour analyser un état particulier de la matière, appelé plasma de quarks et de gluons, que l’on pense avoir existé juste après la création de l’Univers.

Des mondes cachés : y a-t-il vraiment d’autres dimensions ?

Einstein a démontré que les trois dimensions de l’espace sont liées au temps. Des théories plus récentes proposent l’existence d’autres dimensions spatiales cachées ; la théorie des cordes, par exemple, postule l’existence de six dimensions spatiales supplémentaires qui n’auraient encore jamais été observées. Celles-ci pourraient être détectées à de très hautes énergies ; c’est pourquoi les données recueillies par tous les détecteurs seront soigneusement analysées afin de repérer toute trace d’autres dimensions.

CERN

Une vue d’ATLAS en cours de montage)