jeudi 4 mars 2010 - par
À la poursuite du boson de Higgs
Parmi les particules qui entrent dans la composition du modèle théorique de la matière, une seule n’a pas été observée, c’est le boson de Higgs. Proposée dès les années 1960 par le Britannique Peter Higgs, cette particule explique la masse de toutes les autres. Sa découverte expérimentale confirmerait la validité du modèle standard.
Connaître la composition de la matière à l’échelle de l’infiniment petit et les premiers instants de l’univers, tels sont les enjeux du LHC (Large Hadron Collider), l’accélérateur de particules le plus puissant du monde qui a été mis en service au CERN, près de Genève, en septembre 2008, après dix ans de travaux. Cette machine d’une grande complexité, qui a coûté 3 milliards d’euros, s’étend le long d’une boucle souterraine de 27 km de circonférence, dans laquelle des protons circulent à une vitesse proche de celle de la lumière. C’est en observant le choc frontal de ces particules, dégageant une énergie considérable, que des physiciens pourront répondre à de nombreuses questions telles que : d’où vient la masse des particules, pourquoi l’antimatière a-t-elle disparu, quelles étaient les particules présentes à l’instant du Big Bang ? La recherche du boson de Higgs est sans aucun doute le sujet le plus important du LHC.
Détails techniques
Les protons subissent une accélération progressive dans des boucles de plus en plus longues. La première augmente leur énergie jusqu’à 1,4 GeV (un GeV est un million d’électron volt). Ils sont ensuite injectés dans deux autres boucles, portant leur énergie à 25, puis à 450 GeV. Ils sont alors prêts pour subir l’accélération ultime dans la dernière boucle, celle du LHC proprement dite. Leur vitesse se rapproche alors de celle de la lumière, soit 300 000 km/sec, correspondant à une énergie de 3,5 TeV (un TeV vaut mille GeV). Lors de la collision frontale de deux protons, l’énergie dégagée atteindra 7 TeV, un record mondial. Pour fixer les idées, toute l’énergie d’un moustique en plein vol sera concentrée sur un seul proton.
Les faisceaux de protons destinés à entrer en collision circulent en sens opposé dans deux tubes distincts, sous un vide très poussé. Ils sont guidés par un puissant champ magnétique produit par des électroaimants refroidis à l’hélium liquide, de façon à atteindre à l’état supraconducteur pour lequel l’électricité circule sans perte d’énergie. 392 aimants quadripolaires, long de 5 à 7 m, concentrent les faisceaux de protons et 1234 aimants dipolaires, longs de 15 m, courbent leur trajectoire. Des détecteurs ultrasensibles enregistrent la trajectoire des particules produites par la collision, leur nature et leur masse. Dotés de systèmes électroniques mesurant le temps de passage d’un élément à quelques milliardièmes de seconde près, ce sont de gros instruments de mesure qui suivent les particules avec une précision de l’ordre du millionième de mètre. Ils enregistrent un million d’évènements par seconde.
Deux laboratoires en concurrence
Le démarrage du LHC, le 18 septembre 2008, avait été annoncé dans la presse mondiale comme un grand événement. AgoraVox a publié un article à ce sujet. Quelques jours plus tard, une panne a obligé le CERN à faire d’importantes modifications, en sorte que la machine n’a été remise en marche que le 23 octobre 2009, après un an de travaux.
Le laboratoire Fermilab près de Chicago avait construit en 1983 un puissant accélérateur de particules, le Tevatron. Constamment amélioré, il atteint maintenant un TeV, une énergie bien inférieure aux sept TeV du LHC. La panne du LHC a donné aux chercheurs du Fermilab l’espoir d’être les premiers à détecter le boson de Higgs. Pier Oddone, le directeur, déclarait en février 2009 : « Nous ne sommes pas en compétition avec le CERN. Nous savons cependant que le LHC est indisponible pour six mois et qu’il lui faudra encore une année de plus pour obtenir des données exploitables ; nous pensons donc que le Tevatron est bien placé pour remporter la course ».
Mais en novembre 2009, le LHC a propulsé un faisceau de protons à 1,18 TeV. Voici ce que Michel Spiro, le président du Conseil du CERN, a déclaré à la mi-décembre au journal Libération :
« En 2010, je pense que nous allons faire tourner la machine le plus longtemps possible à 3,5 TeV, la moitié de son énergie nominale.Durant cette panne, aucune machine ni aucune idée de machine ne sont venues concurrencer le LHC pour son objectif : explorer la matière avec une précision supérieure aux machines existantes, dont la plus puissante, le Tevatron de Chicago, ne peut dépasser 1 TeV. Nous ne nous sommes pas trompés il y a 20 ans, lors de sa conception : le cadre physique, les questions posées sont toujours là, et seule l’exploration promise par le LHC permet de répondre à ces questions sur l’organisation la plus intime de la matière (…)
« A la fin de 2010, nous ferons un essai à 5 TeV pour voir comment réagit la machine, puis il y aura un long arrêt en 2011 pour entretenir l’accélérateur et les détecteurs, intervenir sur les soudures jugées insuffisantes. C’est long car le seul réchauffement à température ambiante de l’accélérateur qui fonctionne très près du zéro absolu, vers -271°C, prend 2 mois, et il en faut autant pour le refroidir. Donc, les 7 TeV prévus au départ ne seront pas là avant 2012… et le boson de Higgs aussi, sauf surprise ».
Le 3 février 2010, le CERN a annoncé le nouveau calendrier du LHC. L’accélérateur va être exploité pendant une durée de 18 à 24 mois à une énergie de collision de 7 TeV. Ce sera la période d’exploitation la plus longue de l’histoire du CERN ; elle permettra le lancement du programme scientifique du LHC, un moment très attendu pour les physiciens travaillant auprès des détecteurs. Cette phase ira jusqu’à l’été ou l’automne 2011. Ensuite, une longue période d’arrêt permettra d’effectuer tous les travaux nécessaires afin de permettre au LHC d’atteindre l’énergie de collision nominale de 14 TeV. Steve Myers, Directeur des Accélérateurs et de la Technologie au CERN explique :
« Le LHC est une machine différente de tous ses prédécesseurs au CERN. Étant donné qu’il s’agit d’une installation cryogénique, chaque période d’exploitation s’accompagne de longues phases de refroidissement et de réchauffement. Pour cette raison, le modèle traditionnel consistant en une exploitation jusqu’à l’automne et un arrêt hivernal avait déjà été remis en question. Par ailleurs, nous savons depuis un certain temps que des travaux sont nécessaires pour préparer le LHC à une exploitation à des énergies bien supérieures à l’énergie de collision de 7 TeV que nous avons choisie pour la première exploitation pour la physique. Les dernières données montrent qu’une exploitation sans risque à des énergies plus élevées nécessite des travaux supplémentaires dans le tunnel. Deux options étaient donc possibles : soit exploiter maintenant le LHC pendant quelques mois et programmer de courtes périodes d’arrêt successives afin de monter en énergie, soit exploiter tout de suite le LHC pour une longue période et programmer un seul long arrêt avant de pouvoir passer à 14 TeV (7 TeV par faisceau). »
« Lancer tout de suite une longue exploitation est la bonne décision, tant pour le LHC que pour les expériences. En effet, cela laisse aux équipes de la machine le temps nécessaire pour préparer soigneusement les travaux requis en vue d’un passage à 14 TeV. Quant aux expériences, une exploitation sur une période allant de 18 à 24 mois leur permettra de disposer de suffisamment de données dans tous les domaines où des découvertes sont susceptibles d’être faites afin de confirmer la prééminence du LHC au plan mondial dans le domaine de la physique des hautes énergies. »
On peut se poser la question de l’utilité de ces expériences. La recherche fondamentale est un pari sur l’avenir ; elle ne conduit pas toujours à des progrès techniques ; mais de nombreux progrès techniques, parmi lesquels on peut citer le transistor, le laser… trouvent leur source dans la recherche fondamentale.