Où va la physique des particules élémentaires ?

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. 

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

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. 

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.

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

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

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. 

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.)

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