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Reportages

L'après-boson

Par Marine Corniou - 25/07/2013
Il est rare que la physique des particules fasse les nouvelles. Pourtant, le boson de Higgs est devenu une vraie star en juillet 2012, lorsque les scientifiques du Conseil européen pour la recherche nucléaire (CERN) ont annoncé l’avoir enfin détecté, après une traque acharnée de près de 50 ans (voir Québec Science juin-juillet 2012).


Crédit photo: CERN

«Le boson a l’air d’être un boson de Higgs, mais il faut prouver qu’il chante, danse, et se comporte comme seul un Higgs peut le faire», avait déclaré à l’époque Pauline Gagnon, physicienne québécoise qui travaille à Genève depuis 20 ans. Aux dernières nouvelles, tout porte à croire que ce boson n’est pas un imposteur. En effet, entre juillet 2012 et février 2013, les chercheurs ont analysé deux fois et demie plus de données que ce qui était disponible au moment de l’annonce de la découverte. Cela leur a permis de s’assurer que le boson en question interagissait comme prévu avec les autres particules, et que ses propriétés quantiques (son spin et sa parité) étaient dignes d’un vrai Higgs.

«Nous avons désormais des données très précises et tout concorde avec la théorie, souligne la chercheuse. Plus on regarde en détail, plus ça ressemble aux prédictions!» À tel point que, le 8 mai dernier, le CERN a annoncé sur son site que «les éléments disponibles sont suffisants pour qu’on puisse le dire: on a trouvé un boson de Higgs». C’est maintenant irréfutable!

Il faut souligner que cette particule était un peu le graal de la physique: c’était la seule pièce manquante du modèle théorique standard, utilisé depuis les années 1960 pour décrire l’Univers. Sans ce fameux boson, la théorie ne tenait pas. Et on peinait à vérifier expérimentalement son existence.

Aux grands maux, les grands remèdes! Le monde de la physique s’est donc doté en 2008 du LHC, le grand collisionneur de hadrons, le plus puissant accélérateur de particules. C’est dans cet anneau de 27 km de circonférence qu’on propulse à une vitesse proche de celle de la lumière l’un contre l’autre deux faisceaux de protons (au rythme de 11 000 tours de LHC par seconde!). Le but? Produire une collision suffi­sam­ment violente pour faire jaillir de nouvelles particules, trop furtives pour exister autrement que sous haute énergie. En d’autres termes, transformer l’énergie en nouvelle matière, tout ça pour recréer les conditions du big-bang et comprendre la composition de l’Univers. Après trois ans de fonctionnement intense, le LHC a maintenant besoin d’être requinqué. Fermé depuis février 2013, il devrait reprendre du service au printemps 2015.
Des vacances pour l’équipe du CERN? «Au contraire! répond Pauline Gagnon. La course contre la montre continue, personne ne se repose.»

D’abord, il reste un monceau de données à analyser. En 3 ans, le LHC a accumulé 100 pétaoctets de données (soit 100 mil­lions de gigaoctets ou 100 millions de milliards d’octets), l’équivalent de 700 ans de films en haute définition, ou encore de 2 fois l’intégralité des écrits de l’humanité dans toutes les langues! De 2011 à 2012 uniquement, la quantité de données a quadruplé.
Ensuite, cette pause est l’occasion d’effectuer la maintenance de tous les accélérateurs (il y a en a quatre au CERN en plus du LHC) et des détecteurs.

Dans le détecteur ATLAS, sur lequel travaille Pauline Gagnon, la sensibilité d’un des trajectomètres, ces dispositifs complexes qui permettent de visualiser les traces des particules issues des collisions, sera accrue. «Lorsqu’on fracasse 40 millions de protons contre 40 millions d’autres, plusieurs collisions se produisent en même temps et il devient difficile d’associer à une collision en particulier chacune des traces laissées dans les détecteurs. C’est un peu comme si on superposait des dizaines d’images sur une pellicule photographique et qu’on essayait d’y repérer un détail d’une seule de ces photos, explique-t-elle. En ajoutant une quatrième couche au détecteur qui se trouve le plus près des collisions, on améliorera sa précision.»

Mais ce n’est pas tout. Les jonctions électriques entre les aimants (qui permettent de guider le faisceau de particules dans l’anneau) seront renforcées pour que la puissance de l’accélérateur, lors de la seconde phase d’exploitation, puisse être augmentée. «Il a été conçu pour atteindre une énergie de 13 ou 14 teraélectronvolts (14 fois 1012 électronvolts [TeV]), mais jusqu’ici on ne l’a fait fonctionner qu’à 8 TeV», indique la scientifique, l’électronvolt étant une unité de mesure d’énergie. À 14 TeV, chaque particule sera soumise, lors d’une collision, à une force équivalente à la masse de 14 000 protons! «Et il y a 1 700 aimants et plus de 10 000 interconnexions à réparer et à consolider!» précise Pauline Gagnon.

Les chercheurs doivent également modéliser le type de collisions qui devraient se produire à 14 TeV, pour comparer ensuite leurs simulations avec les observations. Un travail de titan qui devrait être récompensé à partir de 2015.

Travailler à des énergies plus élevées pourrait donner des résultats vraiment spectaculaires. «Ça changera tout!» s’exclame Pauline Gagnon. Certes, le premier bilan du LHC est très positif; on a trouvé le boson de Higgs et obtenu des tonnes d’informations. «Grâce à cela, on a une image quasi parfaite de la matière qui compose 5% de l’Univers, résume la physicienne. Mais on ignore tout des 95% restants, un mélange de matière noire et d’énergie noire!»

L’existence de cette matière noire (qui composerait tout de même 25,8% de l’Univers) a été avancée pour expliquer certaines observations, notamment la cohésion des galaxies dans les amas. Sans cette matière invisible, mais pesante, il manquerait beaucoup de masse et la force de gravitation ne pourrait alors compenser l’effet centrifuge. En bref, les galaxies se disloqueraient sous l’effet de la rotation.

Maintenant que la page du Higgs est tournée (ou presque), les esprits s’enflamment pour la quête de cette mystérieuse matière, laquelle pourrait être composée de particules lourdes, jamais «vues» jusqu’ici, peut-être en raison du manque de puissance des outils. Plus le LHC fonctionnera à haute énergie, plus les chances de produire ces particules lourdes (si elles existent, bien sûr) seront élevées. Ce qui permettra de résoudre l’énigme de la matière noire ou, au contraire, si l’Univers en est dépourvu, d’inventer une «nouvelle physique». 

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