Le LHC et ses détecteurs

Où va la physique des particules élémentaires ?

Dossier : La PhysiqueMagazine N°721 Janvier 2017
Par Michel SPIRO (66)

La physique des par­tic­ules occupe près de 20 000 per­son­nes dans le monde, dont 13 000 tra­vail­lent pour le CERN. La mise en évi­dence du boson « de Hig­gs » en 2012 a con­sti­tué une con­fir­ma­tion écla­tante du « mod­èle stan­dard », mais a per­mis aus­si de lis­ter toutes les ques­tions qui restent ouvertes. Le LHC devrait rester en ser­vice jusqu’à 2035, en voy­ant ses per­for­mances aug­menter régulière­ment. L’exploration des pro­priétés des neu­tri­nos se pour­suit notam­ment aux États-Unis, au Japon 

La physique des par­tic­ules ou physique sub­atomique est la branche de la physique qui étudie les con­sti­tu­ants élé­men­taires de la matière et les ray­on­nements, ain­si que leurs interactions. 

La recherche en physique des par­tic­ules, c’est aujourd’hui une com­mu­nauté de près de 20 000 chercheurs du monde entier. Les uns ont un pro­fil plus tourné vers les aspects théoriques, d’autres vers un aspect expéri­men­tal et d’autres sont des ingénieurs de recherche. 

Ces recherch­es se font prin­ci­pale­ment auprès d’accélérateurs : aux États-Unis sur les neu­tri­nos, des par­tic­ules énig­ma­tiques et « passe muraille » (env­i­ron 2 000 chercheurs) ; en Asie (1 500 chercheurs env­i­ron), notam­ment au Japon là aus­si sur les neu­tri­nos mais aus­si sur les dif­férences de com­porte­ment entre par­tic­ules et antipar­tic­ules ; mais surtout au Cern à Genève où vien­nent tra­vailler près de 13 000 chercheurs du monde entier dont 11 500 sur le LHC (Large Hadron Col­lid­er), la machine qui four­nit des col­li­sions pro­ton – pro­ton mais aus­si plomb – plomb (pour étudi­er les effets col­lec­tifs) aux plus hautes éner­gies jamais atteintes avec des accélérateurs. 

REPÈRES

Avec la découverte du boson de Brout, Englert et Higgs du nom des trois physiciens qui ont conçu le mécanisme associé en 1964, le modèle standard de la physique des particules constitue un nouveau palier de la connaissance. Il permet de rendre compte de toutes les mesures faites auprès des accélérateurs de particules de haute énergie.
Il est basé sur des briques élémentaires de matière (des fermions de spin ½) que sont les quarks et les leptons et sur des particules médiatrices des forces (des bosons de spin 1) : les gluons pour l’interaction forte, les photons pour l’interaction électromagnétique, les bosons intermédiaires pour l’interaction faible.


Il est à not­er que plus de 3 000 chercheurs de par le monde font de la physique des par­tic­ules sans accéléra­teurs (sur les neu­tri­nos, les rayons cos­miques et la cos­molo­gie obser­va­tion­nelle à tra­vers la recherche de la nature de la matière som­bre et de la con­stante cos­mologique ou énergie du vide). 

UN SUCCÈS DE LA « COOPÉTITION »

La con­struc­tion du LHC et des détecteurs, ATLAS, CMS (détecteurs général­istes), LHCb (focal­isé sur les dif­férences de com­porte­ment entre par­tic­ules et antipar­tic­ules), ALICE (focal­isé sur les col­li­sions Pb-Pb), a entraîné des défis majeurs qui n’ont pu être sur­mon­tés qu’après l’approbation de la machine et des expéri­ences, ce qui con­sti­tu­ait un pari audacieux. 

Ce n’est que grâce à un type orig­i­nal d’organisation, basé sur la col­lab­o­ra­tion inten­sive du Cern avec les lab­o­ra­toires nationaux et uni­ver­si­taires du monde entier, avec la par­tic­i­pa­tion d’industriels dès la con­cep­tion, que ces défis ont pu être sur­mon­tés : hauts champs mag­né­tiques, cryo­génie, mécanique de pré­ci­sion, élec­trotech­nique, élec­tron­ique résis­tante aux radi­a­tions, traite­ments mas­sifs des don­nées, con­trôle com­mande, sim­u­la­tions géantes, out­ils col­lab­o­rat­ifs inno­vants, logi­ciels com­plex­es, out­ils col­lab­o­rat­ifs inno­vants, etc. 

Ce mod­èle qu’on appelle au Cern « la coopéti­tion », mélange de col­lab­o­ra­tion et d’émulation, est un mod­èle ouvert qui pour­rait être exportable, mais c’est un autre sujet… 

C’est donc, par beau­coup de critères, le plus grand effort col­lab­o­ratif jamais réal­isé, l’une des plus grandes aven­tures sci­en­tifiques humaines. Conçu en 1984, approu­vé par le Con­seil du Cern en 1994, le LHC a démar­ré en 2010 et devrait fonc­tion­ner jusqu’en 2035. 

Il a fal­lu et il faut tou­jours une chaîne de sol­i­dar­ité mul­ti­latérale sans faille et dans la durée entre la com­mu­nauté sci­en­tifique, le sou­tien de leurs lab­o­ra­toires, de leurs agences finan­cières et de leurs gouvernements. 

Les Améri­cains qui avaient un pro­jet sim­i­laire, le SSC, n’ont pu tenir la durée et l’ont stop­pé de manière uni­latérale, par une déci­sion du Con­grès en 1993. 

LE « MODÈLE STANDARD », NOUVEAU PALIER DE LA CONNAISSANCE

Comme expliqué dans l’encadré Repères , le mod­èle stan­dard rend compte des obser­va­tions faites dans les grands accéléra­teurs de par­tic­ules. Dans ce mod­èle, c’est une brisure spon­tanée de la symétrie élec­tro­faible SU(2) x U(1) qui génère la masse des particules. 

Cette pro­priété de masse peut être attribuée aux pro­priétés du vide quan­tique et du champ de Brout, Englert et Hig­gs. À ce champ est asso­ciée une par­tic­ule, abu­sive­ment appelée le boson de Higgs. 

Tout ce que l’on savait, c’est que sa masse devait être inférieure à 1 TeV/c2 (1 TeV = 1012 eV, c : vitesse de la lumière), et donc acces­si­ble au LHC qui col­li­sionne des pro­tons, cha­cun de plusieurs TeV d’énergie. Le boson de Brout, Englert et Hig­gs con­sti­tu­ait donc la pierre angu­laire du mod­èle stan­dard et seul le LHC pou­vait répon­dre de manière non ambiguë sur son exis­tence ou non. D’où la déci­sion de le construire. 


Le site du Cern : on peut voir en jaune la trace au sol de la machine souter­raine LHC ain­si que la trace des injecteurs. Sont mon­trées aus­si une coupe de cette machine ain­si qu’une coupe des détecteurs qui ont la taille de cathédrales.
© MAXIMILIEN BRICE, MICHAËL HOCH, CLAUDIA MARCELLONI / CERN

LE CERN, CAPITALE MONDIALE DE LA PHYSIQUE DES PARTICULES AVEC LE LHC

Le Cern, organisation internationale, et son site sont devenus la capitale mondiale de la physique des particules avec le LHC, la machine frontière des collisions à haute énergie, de 27 km de circonférence (le « seigneur des anneaux ») ; avec le personnel de 3 000 personnes sur le site de Genève, qui a construit et exploite cette machine ; avec la communauté mondiale des 13 000 chercheurs utilisateurs du Cern (« la communauté de l’anneau ») qui a construit et opère les détecteurs. Le Cern est né en 1954 pour redonner une chance à l’Europe de rivaliser avec les États-Unis et l’URSS dans le domaine de la physique fondamentale des particules. Le premier vœu des fondateurs visionnaires est ainsi exaucé, voire dépassé.

DES IMPLICATIONS POUR LA COSMOLOGIE

Le nou­veau palier de la con­nais­sance atteint avec le mod­èle stan­dard de la physique des par­tic­ules per­met de con­stru­ire un nou­veau réc­it con­solidé de l’histoire de l’univers observ­able. Tout l’univers observ­able était con­cen­tré en une toute petite région (« un point ? »), il y a 13,8 mil­liards d’années.

En un instant très bref (10-35 s), « le big-bang », une énergie issue du vide (fluc­tu­a­tion quan­tique ?), « fait jail­lir l’espace et le temps », et se trans­forme en une soupe de par­tic­ules très chaude, indif­féren­ciée et de masse nulle. 

L’expansion de l’espace fait refroidir cette soupe. Quelques picosec­on­des (10-12 s) plus tard, lorsque la tem­péra­ture baisse en dessous de 1 TeV, le vide quan­tique con­naît une tran­si­tion de phase avec une brisure spon­tanée de symétrie liée au champ de Brout, Englert et Hig­gs : la brisure de la symétrie électrofaible. 

Les par­tic­ules devi­en­nent mas­sives et se dif­féren­cient. C’est à ce moment que le pho­ton, donc la lumière, se différencie. 

ET LA LUMIÈRE FUT… 

Quelques microsec­on­des (10-6 s) plus tard, les quarks et les glu­ons se regroupent en pro­tons et neu­trons. Quelques min­utes plus tard, les noy­aux se for­ment et au bout de 380 000 ans les atom­es se forment. 

THÉORIE QUANTIQUE RELATIVISTE DES CHAMPS

La théorie sous-jacente est la théorie quantique des champs relativistes couplée à des symétries : la symétrie SU(3) de couleur des quarks (un degré de liberté interne des quarks qui n’apparaît pas sur la figure) associée à l’interaction forte, la symétrie SU(2) dans les doublets de quarks et de leptons associée à l’interaction faible et la symétrie U(1) liée à une charge généralisée associée à l’interaction électromagnétique.

À cet instant l’univers devient une soupe d’atomes élec­trique­ment neu­tre. Il est alors trans­par­ent (aupar­a­vant c’était un plas­ma chargé), et la lumière peut ain­si voy­ager libre­ment et par­venir jusqu’à nous. 

Cette image de l’univers pri­mor­dial, « le fond du ciel », due à une soupe d’atomes en for­ma­tion a été recon­sti­tuée récem­ment avec pré­ci­sion par le satel­lite Planck. Elle est extrême­ment homogène avec des con­trastes de seule­ment quelques 10-5. Ces con­trastes néan­moins sont la source de la struc­tura­tion de l’univers qui suiv­ra au cours des 13,8 mil­liards d’années et pren­nent sans doute leur source dans les fluc­tu­a­tions quan­tiques du vide d’où l’univers observ­able aujourd’hui a surgi. 

On pour­rait, à la lec­ture de ce qui précède, penser que toutes les ques­tions fon­da­men­tales con­cer­nant la matière et l’univers sont résolues. Il n’en est rien. Voici une liste de ques­tions fon­da­men­tales qui préoc­cu­pent grande­ment physi­ciens et astrophysiciens. 

LA MATIÈRE SERAIT-ELLE SURTOUT « SOMBRE » ?

L’analyse des mou­ve­ments des galax­ies dans les amas de galax­ies et des mou­ve­ments des étoiles et du gaz dans les galax­ies indique la présence de halos mas­sifs con­sti­tués d’une matière pesante qui n’est pas la matière con­nue faite des atom­es de la table de Mendeleïev. 

Cette matière som­bre porterait cinq fois plus de masse dans l’univers que n’en porterait la matière ordi­naire faite des atom­es con­nus, c’est-à-dire que n’en porteraient les étoiles, les planètes et le gaz que l’on peut voir dans l’univers.

L’hypothèse la plus répan­due est que cette matière serait faite d’un nou­veau type de par­tic­ules élé­men­taires, neu­tres élec­trique­ment et inter­agis­sant faible­ment. Ces par­tic­ules sont active­ment recher­chées auprès du LHC mais aus­si dans notre envi­ron­nement puisque nous baignons dans leur halo. 

POURQUOI CES DIFFÉRENCES D’ÉCHELLE DE MASSE/ ÉNERGIE ?

Pourquoi deux échelles aus­si dif­férentes dans l’histoire de l’univers : l’échelle de l’inflation, du big-bang ini­tial de 1012 TeV et l’échelle élec­tro­faible de brisure de symétrie liée au mécan­isme de Brout, Englert et Hig­gs de l’ordre de 1 TeV ? Y a‑t-il une expli­ca­tion à cette hiérar­chie des échelles ? C’est ce que pro­pose la super­symétrie, une symétrie entre fermi­ons et bosons qui lais­serait à penser que chaque fermi­on con­nu a un parte­naire bosonique à décou­vrir et chaque boson con­nu a un parte­naire fermi­on­ique à découvrir. 

La plus légère de ces par­tic­ules miroirs devrait être sta­ble et pour­rait con­stituer la matière som­bre. Là encore, ces par­tic­ules sont active­ment recher­chées au LHC. 

CONSTANTE COSMOLOGIQUE ET ÉNERGIE DU VIDE

On ne sait pas aujourd’hui traiter la grav­i­ta­tion par la théorie quan­tique des champs rel­a­tivistes, mais il est ten­tant d’associer la con­stante cos­mologique à l’énergie du vide quantique. 

Les dif­férentes valeurs de la con­stante cos­mologique dans l’histoire de l’univers seraient alors dues à des tran­si­tions de phase du vide quan­tique, du type de celle induite par le mécan­isme de Brout, Englert et Hig­gs. C’est un champ de con­tro­verse et d’études aujourd’hui.

Univers initial
Image de l’univers lorsqu’il n’était « qu’une soupe » d’atomes en for­ma­tion, image du « fond du ciel » vue par le satel­lite Planck.
© ESA AND THE PLANCK COLLABORATION

CONSTANTE COSMOLOGIQUE ET EXPANSION

Après une période d’expansion initiale accélérée très brève, l’univers a connu une décélération de son expansion, puis semble à nouveau réaccélérer son expansion depuis quelques milliards d’années. Dans la théorie de la gravité d’Einstein, ces accélérations sont dues à ce qu’on appelle la constante cosmologique.

OÙ EST DONC PASSÉE L’ANTIMATIÈRE ?

Aus­si loin que l’on scrute l’univers, on n’y voit que de la matière et du ray­on­nement. Pas de trace d’antimatière, pas « d’antiétoiles ». Pour­tant, dans les col­li­sions de par­tic­ules, l’énergie se trans­forme en autant de par­tic­ules que d’antiparticules.

Les antipar­tic­ules ont les mêmes mass­es que les par­tic­ules, inter­agis­sent de la même manière mais avec des charges opposées. Si l’univers observ­able a jail­li d’une énergie qui s’est matéri­al­isée en une soupe de par­tic­ules, il devrait y avoir autant de par­tic­ules que d’antiparticules et donc autant de matière que d’antimatière.

VERS LA GRAVITÉ QUANTIQUE

Comme indiqué précédem­ment, l’unification de la force de grav­i­ta­tion avec la théorie quan­tique reste à faire. De nom­breuses ten­ta­tives ont été et sont entre­pris­es mais aucune ne s’est imposée jusqu’ici.

Sou­vent ces ten­ta­tives font appel à de nou­velles dimen­sions repliées et cachées aux­quelles les col­li­sions de haute énergie pour­raient avoir accès. C’est encore un sujet d’étude au LHC. 

La décou­verte récente des ondes grav­i­ta­tion­nelles per­me­t­tra peut-être un pas vers la grav­ité quan­tique de la même manière que la décou­verte des ondes élec­tro­mag­né­tiques a été un pas vers la décou­verte du photon. 

HASARD, NÉCESSITÉ ET ÉMERGENCE

Enfin, et à la lim­ite des spécu­la­tions méta­physiques, cer­tains s’interrogent sur le fait de savoir si cer­tains aspects de l’univers observ­able et de son his­toire sont dus au hasard ou à des lois qui restent à décou­vrir à cause des ajuste­ments fins néces­saires pour décrire cer­tains phénomènes, en l’absence de nou­velle loi contraignante. 

LES PERSPECTIVES DE DÉCOUVERTES JUSQU’EN 2035

ÉNIGMATIQUES NEUTRINOS

Les neutrinos sont des particules élémentaires, beaucoup moins massives que les autres particules élémentaires. Leur masse vient-elle du mécanisme de Brout, Englert et Higgs ou d’un mécanisme lié à une physique nouvelle au-delà du modèle standard ?

Le LHC con­tin­uera à opér­er jusqu’en 2035. Le taux de col­li­sions sera con­stam­ment accru grâce à des amélio­ra­tions tech­nologiques. D’ici 2035, le LHC devrait pro­duire cent fois plus de col­li­sions qu’il n’en a pro­duits aujourd’hui. Son énergie sera aus­si légère­ment augmentée. 

Cela devrait per­me­t­tre peut-être de décou­vrir de nou­velles par­tic­ules, sig­nal d’une nou­velle physique au-delà du mod­èle stan­dard ou de faire des mesures de pré­ci­sion (notam­ment sur les modes de dés­in­té­gra­tion du boson de Brout, Englert et Hig­gs) qui pour­ront être con­fron­tées aux pré­dic­tions du mod­èle stan­dard et peut-être le met­tre en défaut. 

En par­al­lèle, l’exploration des pro­priétés des neu­tri­nos, notam­ment aux États-Unis, au Japon, se pour­suiv­ra. Les recherch­es sur les dif­férences de com­porte­ment entre les par­tic­ules et antipar­tic­ules se pour­suiv­ront à la fois au Japon et au LHC au CERN. 

Enfin la recherche et l’identification de la matière som­bre dans notre envi­ron­nement sont et seront l’objet d’études à tra­vers le monde. 

L’APRÈS 2035

En 2020–2025, avec tous les résul­tats disponibles à ce moment, il sera sans doute temps d’envisager quelle machine pour­rait suc­céder au LHC pour fournir ses pre­mières col­li­sions vers 2040 : un col­li­sion­neur linéaire élec­tron-positron de quelques TeV pour étudi­er avec pré­ci­sion des par­tic­ules nou­velles qu’on aurait trou­vées au LHC ? Ou un futur col­li­sion­neur cir­cu­laire de 100 km de cir­con­férence, avec les tech­nolo­gies les plus dévelop­pées du moment, pour attein­dre 100 TeV, près de dix fois plus que l’énergie atteinte au LHC, pour ouvrir une nou­velle fenêtre sur l’infiniment petit (une alter­na­tive pour­rait être de réu­tilis­er le tun­nel du LHC, mais on atteindrait une énergie moindre) ? 

Ou encore une machine basée sur des nou­velles tech­niques d’accélération (les lasers et les plas­mas sem­blent les plus prometteurs) ? 

Dans tous les cas une telle machine néces­sit­era une moti­va­tion sci­en­tifique forte portée par une com­mu­nauté mon­di­ale (comme c’était le cas pour le LHC), des défis tech­nologiques (qui présen­tent un intérêt pour la société), un coût abor­d­able et une accept­abil­ité environnementale. 

À titre per­son­nel, j’espère surtout que cette aven­ture de la con­nais­sance sera pérenne : c’est une part d’infini que nous avons en nous. 

LHC en 2035
D’ici 2035, le LHC devrait pro­duire cent fois plus de col­li­sions qu’il n’en a pro­duits aujourd’hui.
© DOMINGUEZ, DANIEL ; BRICE, MAXIMILIEN / 2015–2016 CERN

Le Cern et le boson de Higgs, par Michel Spiro (11 min.)

Composants élémentaires de la matière

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