Le matin des physiciens
par Céphale
mercredi 10 septembre 2008
Le LHC (Large Hadron Collider) a été mis en service à Genève ce matin. L’information était dans tous les journaux et toutes les chaînes de radio et de télévision ont parlé de l’événement, parfois même avec des émissions spéciales. Il s’agit de la plus grosse machine jamais construite pour l’étude des particules. Elle aidera à mieux comprendre la composition de l’univers.
Situé à la frontière franco-suisse, le Cern (Centre européen de recherche nucléaire) est le plus grand laboratoire d’études de particules du monde. Depuis dix ans, 9 000 scientifiques venus du monde entier travaillent à ce projet. La machine se trouve dans un tunnel large comme un tunnel d’autoroute dont le tracé est un cercle de 27 km. C’est un accélérateur de particules comme il en existe des centaines dans le monde, mais il peut leur faire atteindre des vitesses et des énergies supérieures à toutes celles obtenues jusqu’à présent. L’expérience, comme chacun sait, consiste à lancer des particules les unes contre les autres et à observer le résultat des chocs.
Histoire des particules
Au début du XXe siècle, les physiciens ne connaissaient que les trois particules élémentaires qui constituent l’atome : le proton, le neutron et l’électron. Les premiers accélérateurs leur ont permis d’observer d’autres particules, plus lourdes et de faible durée de vie. C’est ainsi qu’au début des années 60 les physiciens connaissaient une centaine de particules subatomiques similaires au proton. En 1964, pour mettre de l’ordre dans ce bestiaire, les théoriciens GellMann et Zweig ont émis l’hypothèse que toutes ces particules sont des assemblages de particules encore plus élémentaires, les « quarks ». Leur existence a été confirmée expérimentalement en 1968 dans un accélérateur à Stanford (Californie). Les protons et les neutrons sont constitués par cette première génération de quarks. On a découvert plus tard des quarks de deuxième et troisième générations qui sont plus lourds et forment des particules instables. Toutes les particules composites sont groupées sous le nom de « hadrons ». Les quarks ne peuvent pas exister de manière isolée et s’assemblent en hadrons.
Les quarks ayant une masse trop faible pour expliquer la masse des hadrons, il a fallu trouver une autre explication. C’est ainsi que les « gluons » ont été imaginés et observés au début des années 80. La masse des particules élémentaires, telles que les protons et les neutrons, provient des gluons. Les physiciens pensent que la matière sombre de l’univers serait formée d’une association de quarks et de gluons encore inconnue. Le boson de Higgs serait la clé de voûte du système, mais il n’a pas encore été observé.
Il faut savoir que, dans toutes ces expériences, on n’observe pas directement les particules, car elles sont infiniment trop petites. On observe seulement la trace de leur passage.
Le LHC peut-il de produire une catastrophe ?
L’énergie des particules qui vont entrer en collision est mille fois supérieure à tout ce que les physiciens ont obtenu jusqu’à présent, ce qui inspire certaines craintes. Le bruit a même couru que les expériences du LCR pourraient entraîner la formation d’un « mini trou noir » qui aspirerait la terre entière. C’est une idée fantaisiste, elle n’est étayée par aucune théorie. Le directeur général du Cern a fait une mise au point le 5 septembre : « Le LHC est sans danger et toute suggestion qu’il pourrait présenter un risque est pure fiction. »
Ce que le LHC peut permettre de découvrir
Après avoir tourné dans un tube de 27 km et atteint une vitesse proche de la vitesse de la lumière, deux bouffées de particules seront précipitées l’une contre l’autre. L’énergie produite sera mille fois plus élevée que dans tout autre accélérateur et le nombre de collisions sera cent fois plus grand. On espère ainsi observer des phénomènes qui se sont produits quelques minutes seulement après le Big-Bang et ont disparu depuis.
Les physiciens espèrent pouvoir enfin observer un boson de Higgs, ce qui confirmerait la théorie du modèle standard de la physique des particules. Ils pensent qu’il ne peut apparaître qu’à des énergies supérieures ou égales à 115 GeV, ce qui est largement dans le champ du LHC. Ceci permettrait de vérifier le modèle et de l’étendre à un domaine d’énergie plus élevé.
D’autre part, les observations astrophysiques indiquent qu’une grande partie de l’univers serait constituée d’un type de matière qui n’émet pas de rayonnement électromagnétique, il est appelé « matière noire ». Nous ne la connaissons qu’au moyen d’effets gravitationnels, mais les physiciens des particules possèdent dans leurs théories une particule appelée « neutralino » qui pourrait en expliquer l’origine. Le LHC pourrait aider à le découvrir.