© CERN/ Philippe Mouche

Plan de coupe de l’accélérateur du LHC et des ses quatre expériences.

Mardi 30 mars 2010, le Grand collisionneur de hadrons (LHC, Large Hadron Collider) au Centre européen pour la recherche nucléaire (Cern) a produit ses premières collisions de protons à haute énergie. Elles engagent la recherche dans des domaines encore inexplorés des lois fondamentales qui régissent l’Univers.

Le LHC, dont la construction et la mise en œuvre mobilisent depuis 25 ans des milliers de chercheurs, d’ingénieurs et de techniciens dans plus de 50 pays, va apporter des éléments de réponses à certaines questions essentielles de la physique des particules.

Cet anneau de 27km de circonférence enfoui à 100m sous terre près de Genève, à la frontière franco-suisse, est un accélérateur de particules avec lequel les chercheurs vont étudier les plus petites particules connues : les composants fondamentaux de la matière.

L’objectif atteint de ce 30 mars : faire se rencontrer deux faisceaux de particules de très haute énergie circulant en sens inverse et à toute vitesse dans le gigantesque anneau. Mission réussie ! Un succès qui couronne 20 années de travail, d’autant plus remarquable que le défi expérimental était énorme. « Imaginez que vous lanciez deux aiguilles d’un bout à l’autre de l’Atlantique en espérant qu’elles se percutent au milieu de l’océan. Cela vous donne une petite idée de la précision qu’il faut atteindre », explique Laurette Ponce, ingénieur en charge au LHC.

En réalité, ce sont deux faisceaux de particules subatomiques de la famille des « hadrons » (des protons ou des ions de plomb) qui circulent en sens inverse à l’intérieur de l’accélérateur circulaire, emmagasinant de l’énergie à chaque tour.

Ces faisceaux circulent depuis le 19 mars 2010 à une énergie de 3,5 TeV [1]dans le tunnel du LHC, une énergie jamais atteinte auparavant par aucun accélérateur de particules.

Mardi, à 13h06, le choc frontal entre ces faisceaux a concentré une énergie record de 7 TeV. Trois fois et demie celle de l’instrument jusqu’alors le plus puissant, le Tevatron américain du Fermilab de Chicago, limité à 2 TeV.

Pour se représenter la violence d’une telle collision, il faut savoir que 1 TeV est l’énergie cinétique d’un moustique en vol ! Mais cette énergie est ici concentrée dans un espace mille milliards de fois plus petit que l’insecte. Ce qui la rend titanesque.

En faisant entrer en collision frontale les deux faisceaux à une vitesse proche de celle de la lumière et à de très hautes énergies, les chercheurs cherchent à faire jaillir de nouvelles particules et recréer des états de la matière qui existaient aux tous premiers instants de l’Univers, quelques millionièmes de seconde après le Big Bang.

Cet événement était très attendu par les physiciens du monde entier travaillant auprès des détecteurs d’analyse des particules issues de ces collisions, car cela va leur ouvrir de nouveaux horizons scientifiques.

Pendant des décennies, ils se sont appuyés sur le modèle standard de la physique des particules pour essayer de comprendre les lois fondamentales de l’Univers. Celui-ci présente cependant des failles et ne répond pas à toutes les questions. Les données expérimentales obtenues grâce aux énergies très élevées du LHC vont permettre de repousser les frontières du savoir, permettant de confirmer ou d’infirmer les théories actuelles, de vérifier les données et prédictions des expériences précédentes et révélant sans doute aussi des découvertes complètement inattendues.

Et ainsi, peut-être, mieux comprendre comment fonctionne notre Univers, résoudre certains mystères pour en découvrir de nouveaux.

De quoi sont faites, par exemple, la matière noire et l’énergie sombre qui composent 96 % de l’Univers ? Qu’est devenue l’antimatière qui, à l’aube de l’espace-temps, a sans doute été produite en même quantité que la matière, mais dont il ne reste plus trace ? Pourquoi les particules ont-elles une masse, et pourquoi certaines sont-elles lourdes et d’autres légères ? Le boson de Higgs, postulé par la théorie mais jamais observé, est-il la clé de cette masse ?

Comment, encore, la « soupe primordiale » de l’Univers s’est-elle transformée, en quelques millièmes de seconde, en protons et en neutrons qui ont donné naissance aux noyaux, aux atomes, puis aux étoiles et aux galaxies ?

Pour le Cern, le LHC va révolutionner notre compréhension du monde, de l’infiniment petit, à l’intérieur des atomes, à l’infiniment grand de l’Univers.

C’est une véritable aventure de la recherche fondamentale. Même si le Cern s’enorgueillit d’être à l’origine du Web - inventé en 1989 pour permettre aux scientifiques de partager leurs informations - et d’avoir fait progresser les systèmes de calcul - chaque année, le LHC va collecter une masse de données équivalant à une pile de CD haute de 20 km -, les expériences n’auront aucune retombée pratique, à court ou à moyen terme. « La recherche fondamentale a toujours des applications, mais on ne sait jamais quand ni dans quel domaine », assure le directeur général du Cern, M. Heuer.

Et pourtant, les vingt Etats membres du Cern et cinq autres, Chypre, Israël, la Serbie, la Slovénie et la Turquie, n’ont pas hésité à investir près de 4 milliards d’euros dans le LHC. Et à en faire bénéficier 10 000 chercheurs de 85 pays.

En France, plus de 400 physiciens et ingénieurs du CEA/Irfu et du CNRS/IN2P3 ont contribué à la genèse et au développement des quatre détecteurs du LHC. Leur forte participation à l’effort de R&D en matière d’instrumentation a permis aux équipes françaises de jouer un rôle majeur dans le choix des technologies retenues, dans la conception et la réalisation des détecteurs. La France tient également une place importante dans la grille de calcul qui permet de mutualiser les ressources de centaines de milliers d’ordinateurs pour traiter les données fournies par les détecteurs du LHC.

Après le succès des collisions de mardi, il est prévu de faire fonctionner le LHC en continu pendant une période de 18 à 24 mois, avec un court arrêt technique à la fin de 2010. Au terme de cette première phase d’exploitation, un arrêt plus long permettra de préparer le LHC à une énergie encore plus élevée : l’énergie de collision maximale de 14 TeV.

L’aventure ne s’arrêtera sans doute pas là. Préparant déjà le futur, deux nouveaux accélérateurs sont à l’étude, pour prendre le relais du LHC à l’horizon 2025. Et repousser encore les frontières de la physique.

© CERN

Collisions à 2,36 TeV le 14 décembre dernier, au sein du détecteur Atlas.