Physique

Que va trouver le Grand collisionneur de hadrons ?

par Catherine Frammery

Article publié le 09/09/2008 Dernière mise à jour le 10/09/2008 à 15:53 TU

Une scientifique regarde des écrans d'ordinateurs au centre de contrôle du LHC du CERN à Genève.
(Photo : Reuters)

C‘est un projet unique, pionnier et gigantesque : mercredi 10 septembre 2008 le CERN, l’organisation européenne pour la recherche nucléaire, a mis en service le plus grand accélérateur de particules du monde, installé dans un anneau souterrain de 27 kilomètres de long à la frontière franco-suisse. L’objectif est de fournir de nouvelles données sur les composants fondamentaux de la matière.

Prononcez le mot de LHC à un physicien théoricien et vous verrez son regard s’éclairer, et son esprit vagabonder : le LHC (acronyme de Large hadron collisionner) est ce qu’il y a de plus proche du Saint Graal pour ceux qui ont fait profession de comprendre pourquoi les étoiles « tiennent » dans le « ciel », ou pourquoi les atomes défient les lois de la gravité. Car le LHC promet d’apporter sinon de nouvelles réponses, en tout cas des millions de nouvelles données qui, à terme, permettront d’en savoir plus dans les domaines de l’énergie, de l’espace et du temps.

600 millions de collisions par seconde 

Descente du dernier aimant de dipôle LHC
© CERN

Le LHC utilise en fait un tunnel gigantesque, construit dans les années 1980 pour le précédent grand accélérateur du CERN, le Grand collisionneur électro-positon, un anneau de 27 kilomètres de long, installé entre 50 et 150 mètres dans le sous-sol français et suisse tout près de Genève. C’est là que vont circuler, en sens inverse, deux faisceaux de particules identiques (des protons), guidés par de gigantesques aimants supra-conducteurs, dans des tubes où règne un vide comparable à celui de l’espace inter-sidéral.

Chaque faisceau est formé de quelque 3 000 paquets de particules, chaque paquet contenant 100 milliards de particules. Celles-ci sont bien trop petites pour qu’elles se percutent lorsque les deux faisceaux se croisent : la probabilité n’est que de 20 collisions sur 200 milliards de particules. Mais c’est là où l’ampleur du LHC change la donne pour les scientifiques : grâce à cette fantastique machine, les paquets vont se croiser 30 millions de fois par seconde, le LHC va donc produire jusque 600 millions de collisions par seconde.

Recréer les conditions qui existaient juste après le Big bang

Quatre centres détecteurs géants, plus hauts que des immeubles parisiens, sont chargés d’accueillir ces collisions, qui provoqueront de mini-explosions, une sorte de feux d’artifice qu’il s’agira ensuite d’analyser. Car ce sont les collisions que guettent les physiciens. En faisant percuter ces hadrons à une vitesse toute proche de celle de la lumière, et à de très hautes énergies, le LHC tente de reproduire les conditions qui existaient quelques millièmes de seconde après le Big Bang.

A quoi ressemblait la matière au tout début de l’univers, ? Peut-il y avoir d’autres dimensions ? Qu’est-ce que la masse ? Comment concilier l’espace temps d’Einstein et la physique quantique … Ces questions ne sont que quelques exemples de celles auxquelles le LHC pourra fournir -du moins l'espèrent fortement les scientifiques- sinon des réponses, au moins des éléments de réponse.

Le boson de Higgs

Parmi les cibles du LHC figure le boson de Higgs, du nom de son « inventeur » en 1963. Le boson de Higgs  est une particule instable, parfois qualifiée de « particule de Dieu » car, si elle a été étudiée théoriquement, si son existence est nécessaire pour valider le Modèle standard de physique des particules tel qu’il est admis aujourd’hui, elle n’a pourtant jamais été mise en évidence dans aucune expérience… Pourtant, c’est elle qui donnerait leur masse aux choses. Trouver ce boson de Higgs, chaînon manquant –et le trouver avant les Américains, disent même certains- serait évidemment une très belle victoire pour le CERN.

Le CERN, fondé en 1954, est avant tout un organisme européen, comprenant 20 membres, dont les plus gros bataillons sont fournis par l’Italie, l’Allemagne, la France et le Royaume Uni. Les Etats-Unis ou la Russie ont le statut d’observateurs seulement. Le CERN a investi plus de 6 milliards d’euros au total dans le LHC, payés par ses membres.

Le LHC est néanmoins un pur produit de la collaboration mondiale : ce sont en tout quelque 10 000 scientifiques issus de 500 instituts et entreprises du monde entier qui ont travaillé pour le LHC depuis 1994 – à l’heure où même les super-aimants supra-conducteurs n’existaient pas encore !

Pistes de particules vues dans le détecteur de sommet LHCb (VELO) et déclenché par le calorimètre pendant les tests de synchronisation.
(Graphique : CERN)

Pour en savoir plus :

Consulter le site du CERN