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Reportages

Physique : ce qu'il reste à découvrir

Par Marine Corniou - 14/05/2015

Lire l'intégralité de l'article ici. (Illustration: Frefon)

Enfoui à 100 m sous la frontière franco-suisse, près de Genève, le Grand collisionneur de hadrons (Large Hadron Collider ou LHC) est la plus imposante machine jamais construite. Une machine d’une incroyable précision, qui permet de faire entrer en collision, à la vitesse de la lumière, deux faisceaux de protons, propulsés en sens contraire, d’un diamètre équivalant à un dixième de l’épaisseur d’un cheveu.
Le but? En concentrant autant d’énergie en un si petit point, on peut créer de la matière (selon la fameuse équation E = mc2 qui exprime l’équivalence entre la masse et l’énergie). Chaque collision de protons donne lieu, en quelque sorte, à un feu d’artifice de particules diverses, que plusieurs détecteurs permettent de caractériser.
De 2010 à 2013, le LHC a servi à effectuer les collisions à des énergies de 8 TeV (8 000 milliards d’électronvolts), ce qui a permis la découverte du boson de Higgs en juillet 2012. Mais le LHC a été conçu pour fonctionner à des énergies presque deux fois plus élevées. Avec plus de puissance dans les faisceaux, les collisions peuvent produire des particules plus massives et donc offrir un tout nouveau terrain de jeu aux physiciens.

De quoi permettre, peut-être, la résolution de quelques problèmes. Entre autres, les quatre qui suivent.


1 Mieux caractériser le boson de Higgs

Ce second tour de piste permettra de produire 10 fois plus de bosons de Higgs qu’entre 2009 et 2013. «Cela devrait nous permettre de mieux caractériser le boson et de voir s’il se comporte différemment de ce que prédit la théorie, par exemple en produisant des particules inconnues», a expliqué Beate Heinemann, lors du congrès de l’American Association for the Advancement of Science, en février. «La production de bosons de Higgs reste rare, et nous avons besoin d’accumuler les données», ajoute la professeure de physique, attachée à l’université Berkeley, en Californie, et membre du groupe ATLAS au CERN, qui a codécouvert le Higgs avec le groupe CMS en 2012.

Il faut savoir que le boson de Higgs, dès qu’il est créé, se désintègre en d’autres particules plus stables, par exemple des photons ou des bosons Z. C’est cette signature, appelée canal de désintégration, que les détecteurs observent. Le boson de Higgs peut se désintégrer de plusieurs façons – cinq, pour être précis – et les physiciens espèrent que la fréquence de certains de ces canaux de désintégra­tion sera un peu différente de la théorie. Ce qui suggérerait que le Higgs peut aussi «éclater» en produisant des particules dites exotiques, ouvrant la porte à une nou­velle physique. L’étude de ce boson ne pourra cependant pas se faire en une nuit: elle s’étalera sur les 20 prochaines années.



2 Mettre la main sur la matière noire


C’est un des grands mystères de l’Univers: la matière noire ou sombre, cette entité mystérieuse dont l’existence a été postulée en 1933, constituerait environ 25% de l’Univers. Il y en aurait six fois plus que de matière ordinaire. Son existence n’est toutefois pas prédite par le modèle standard; elle a été postulée pour expliquer certaines obser­vations, notamment la cohésion des galaxies dans les amas. Sans cette matière invisible, mais pesante, les galaxies se disloqueraient sous l’effet de la rotation.

À ce jour, cependant, les physiciens n’ont jamais «vu» la moindre particule de matière noire, bien qu’il existe plusieurs hypothèses quant à sa nature. L’une d’elles met en scène les WIMPs (weakly interacting massive particles), des particules très massives qui ne pourraient être produites, si elles existent, qu’à très haute énergie. Les particules supersymétriques en font partie (voir numéro 3).

3 Trouver une preuve de la super-symétrie
Le modèle standard, utilisé pour décrire l’Univers, repose sur deux principes fonda­mentaux: premièrement, toute la matière est faite de particules et, ensuite, ces particules interagissent entre elles en s’échangeant d’autres particules (les particules de matière sont les fermions; les particules d’interaction, les bosons). Ce modèle fonc­tionne bien, ses prédictions ont toutes été vérifiées expérimenta­lement… Reste qu’il cloche.

D’abord, il n’inclut pas la gravitation, l’une des quatre forces fondamentales. Puis, il n’explique pas l’asymétrie entre la matière et l’antimatière, pourtant produites toutes deux en quantité égale après le big-bang (voir numéro 4 à la page suivante). Les physiciens planchent donc sur une nouvelle théorie qui permettrait de régler ces anomalies, et bien d’autres encore. En somme, ils cherchent une sorte de modèle standard bonifié. L’une des solutions, très populaire, porte le nom de SuSy, ou super-symétrie. Cette théorie avance que toutes les particules connues possèdent une particule «miroir» – le gluon aurait son binôme, appelé le gluino, le photon son photino, les quarks leurs «squarks»…



Ces super-partenaires (ou sparticules, voir illustration, empruntée à l'université de Glasgow) permettraient, en quelque sorte, de rendre l’Univers plus logique et plus harmonieux. «Ainsi, les particules lourdes sont associées à une super-particule légère, et vice versa. Cela donne un monde beaucoup plus équilibré et élucide l’étrange disparité dans la masse des particules élémen­taires qui vont de l’ultralégère à la super lourde», expliquait la physicienne Pauline Gagnon à Québec Science en 2012.

La bonne nouvelle, c’est que le LHC pourrait produire ces lourdes particules super symétriques. De plus, la plus légère d’entre elles possèderait exactement les propriétés attendues de la matière noire. «Si elle existe, comme elle n’est pas très lourde, on pourrait voir sa trace dès les premiers mois suivant la remise en route du LHC, expliquait la physicienne Beate Heinemann en février dernier. Ce serait un moment incroyablement excitant!»

4 Comprendre l’asymétrie entre matière et antimatière
Petit retour en arrière… Quelques instants après le big-bang, la matière se forme, en même temps que l’antimatière qui est la même chose que la matière, mais avec des charges électriques opposées. Matière et antimatière ont dû être produites en quantités égales, et auraient dû s’annihiler immédiatement. Or, l’Univers actuel ne contient presque pas d’antimatière. Où est-elle passée? D’où vient cette asymétrie? Encore un mystère que le modèle standard ne résout pas.
Mais le LHC a déjà réussi à produire de petites quantités d’antimatière, notamment
de l’anti-hydrogène. À plus haute énergie, les expérimentateurs parviendront à produire plus d’antiparticules et à mieux les étudier.

À lire aussi :
L'Univers va-t-il disparaître? Entretien avec le physicien Yves Sirois.

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