L’Organisation européenne pour la recherche nucléaire – connue sous son acronyme français, le CERN – est le plus grand laboratoire de physique des particules au monde. Situé juste à l’extérieur de Genève, en Suisse, il a été créé en 1954, comme l’une des premières coentreprises européennes d’après-guerre, dans le but exprès d’arrêter la «fuite des cerveaux» des scientifiques talentueux quittant le continent pour l’Amérique.
Aujourd’hui, plus de 10 000 scientifiques originaires de plus de 100 pays se retrouvent chaque année au CERN pour utiliser ses installations, qui comprennent certains des instruments scientifiques les plus grands et les plus complexes jamais créés. Leur objectif : comprendre de quoi est fait l’Univers et les lois de la physique qui dictent son comportement.
Quelles découvertes ont été faites au CERN ?
Les faits saillants incluent la découverte en 1983 d’une paire de particules élémentaires appelées les bosons W et Z, qui a ensuite reçu le prix Nobel de physique. L’informaticien britannique Tim Berners-Lee a aidé à inventer le World Wide Web au CERN en 1989 en développant un moyen permettant aux ordinateurs de communiquer entre eux, appelé protocole de transfert hypertexte (HTTP).
En 1995, les scientifiques du CERN ont été les premiers à créer des atomes de l’antimatière homologue de l’hydrogène, l’antihydrogène. En 2000, ils ont découvert un nouvel état de la matière : une soupe de particules chaude et dense appelée plasma quark-gluon. Et le boson de Higgs a été observé pour la première fois en 2012 au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, ramassant son découvreurs un prix Nobel.
Qu’est-ce que le Large Hadron Collider et comment fonctionne-t-il ?
Le LHC est l’accélérateur de particules le plus puissant au monde : une machine géante que les physiciens utilisent pour écraser de minuscules particules subatomiques à des vitesses extrêmement élevées pour voir ce qui se passe.
Les collisions de particules recréent, pendant une fraction de seconde, les conditions qui existaient quelques instants après le Big Bang, lorsque l’Univers est né. En étudiant les débris de ces collisions, les physiciens tentent de résoudre des mystères tels que la composition de la matière et la manière dont les particules obtiennent leur masse.
Le LHC, qui a été achevé en 2008, a été construit principalement pour tester le modèle standard de la physique des particules. Cette théorie des années 1970 au succès fou décrit les interactions entre les 17 particules élémentaires et trois des quatre forces fondamentales de l’Univers : l’électromagnétisme, la force nucléaire forte et la force nucléaire faible (la gravité est la quatrième).
Le modèle standard a longtemps prédit l’existence d’une particule élémentaire inédite appelée boson de Higgs. Après quatre décennies de recherche, en juillet 2012, les physiciens l’ont finalement trouvé grâce au LHC. La découverte a été une grande victoire pour les fans du modèle standard, mais la théorie est incomplète. Il laisse de nombreuses questions ouvertes, telles que : qu’est-ce que la matière noire ? Pourquoi l’Univers contient-il plus de matière que d’antimatière ? Le LHC peut aider à répondre à ces questions.
La machine est enterrée profondément sous la frontière franco-suisse près de Genève, dans un tunnel circulaire de près de 27 kilomètres de long. Il utilise plus de 1 000 aimants dipôles supraconducteurs de 35 tonnes (refroidis à une température de -271,3 °C – plus froide que l’espace extra-atmosphérique !), pour guider deux faisceaux de particules (généralement des protons) dans des directions opposées autour de l’anneau. Les protons parcourent l’anneau de 27 kilomètres presque à la vitesse de la lumière, effectuant plus de 11 000 tours par seconde.
En quatre points autour de l’anneau, les deux faisceaux opposés sont dirigés de manière à ce qu’ils se croisent. Là où les faisceaux se croisent, les protons qu’ils contiennent s’entrechoquent et se brisent en particules plus petites. La plupart des particules produites lors des collisions sont très instables et se désintègrent presque instantanément en des formes plus stables.
Sept énormes détecteurs – pensez-y comme des caméras numériques de la taille d’une cathédrale – sont construit autour des quatre zones de collision pour capturer des données sur ces particules incroyablement rares alors qu’elles s’embrasent brièvement.
Pourquoi le LHC a-t-il été éteint et est-il à nouveau opérationnel ?
Le LHC a été initialement mis en service en septembre 2008, avec un plan de fonctionnement pendant au moins deux décennies. Le plan comprend une poignée de longs arrêts où la machine est éteinte afin que les scientifiques puissent accéder à l’équipement, effectuer des réparations et effectuer des mises à niveau qui lui permettent de fonctionner à des niveaux d’énergie plus élevés, ce qui signifie plus de découvertes potentielles, lors de l’exécution suivante.
Le dernier long arrêt (LS2) a commencé en 2019, et oe 22 avril 2022, le LHC a redémarré après trois ans de travaux de maintenance et de modernisation, permettant une nouvelle collision de protons.
Quel avenir pour le CERN ?
Nous avons parlé au Dr Monica Dunford, la physicienne responsable de la coordination des recherches sur le modèle standard à l’expérience ATLAS (l’une des deux collaborations internationales créditées de la découverte du Higgs).
« Avec ce prochain cycle, nous nous attendons à obtenir environ le double de la luminosité totale que nous avions à la fin du cycle 2 », déclare Dunford. La luminosité est la façon dont les physiciens décrivent l’intensité des faisceaux de particules. Doubler la luminosité double la probabilité de collision des particules.
L’été dernier, ATLAS a annoncé la toute première observation de trois bosons W produits simultanément, à partir d’un ensemble de données prises entre 2015 et 2018. Par rapport à la création d’un boson de Higgs, la production de « triple W » est environ 60 fois moins susceptible de se produire pendant la production de protons. collisions.
« Il s’agit d’un processus si rare qu’il nous rend confiants que peut-être même dans l’essai 3, nous pourrions éventuellement mesurer l’auto-couplage de Higgs », déclare Dunford. Un Higgs couplé à deux autres – un « Higgs trilinéaire » – est environ 2 000 fois moins probable qu’un Higgs normal.
Les choses pourraient vraiment commencer à devenir excitantes après le prochain long arrêt, actuellement prévu pour 2026-2028. Pendant cette période, le LHC sera tellement modernisé qu’il mérite un nouveau nom : le LHC à haute luminosité (HL-LHC). En plus de 20 ans de fonctionnement, la machine fonctionnera jusqu’à générer des luminosités près de 30 fois supérieures à celles produites à ce jour, permettant aux physiciens de pousser le modèle standard à ses limites.
Et la recherche d’une nouvelle physique ne s’arrête pas là. Un nouveau collisionneur proposé – le futur collisionneur circulaire (FCC) – éclipserait le LHC. « Ce n’est vraiment qu’un concept pour le moment, mais en fin de compte, ce serait un collisionneur encore plus puissant qui serait à 100 kilomètres à la ronde », explique Dunford. « L’anneau du LHC ne serait en fait que l’anneau d’appoint du FCC ! »
À propos de notre experte, Dre Monica Dunford
Monica est physicienne et post-doctorante basée au CERN à Genève. Elle travaille sur le système Trigger du détecteur ATLAS et étudie les interactions W et Z dans les collisions proton-proton.
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J’ai toujours aimée lire l’actualités et la décortiquer, ce qui m’a amenée à faire des études de journalisme. Après avoir lancer mon premier blog, me voici sur 5 minutes d’actu pour vous parler des actualités que je suis au quotidien, je vous fait part de mes analyses. Bonne lecture
