Le grand collisionneur de hadrons (LHC) est une merveille de la physique moderne des particules qui a permis aux chercheurs de sonder les profondeurs de la réalité. Ses origines remontent à 1977, lorsque Sir John Adams, l’ancien directeur de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN), a suggéré de construire un tunnel souterrain qui pourrait accueillir un accélérateur de particules capable d’atteindre des énergies extraordinairement élevées, selon un document historique de 2015 du physicien Thomas Schörner-Sadenius.
Le projet a été officiellement approuvé vingt ans plus tard, en 1997, et la construction a commencé sur un anneau de 16,5 miles (27 kilomètres) de long qui passait sous la frontière franco-suisse, capable d’accélérer des particules jusqu’à 99,99 % de la vitesse de la lumière et de les écraser. À l’intérieur de l’anneau, 9 300 aimants guident des paquets de particules chargées dans deux directions opposées, à raison de 11 245 fois par seconde, pour finalement les réunir et les faire entrer en collision frontale. L’installation est capable de créer environ 600 millions de collisions par seconde, dégageant d’incroyables quantités d’énergie et, de temps à autre, une particule lourde exotique et inédite. Le LHC fonctionne à des énergies 6,5 fois plus élevées que le précédent accélérateur de particules détenteur du record, le Tevatron de Fermilab, déclassé aux États-Unis.
La construction du LHC a coûté au total 8 milliards de dollars, dont 531 millions provenant des États-Unis. Plus de 8 000 scientifiques de 60 pays différents collaborent à ses expériences. L’accélérateur a mis ses faisceaux en marche pour la première fois le 10 septembre 2008, faisant entrer en collision des particules à seulement dix millions de fois l’intensité prévue à l’origine.
Avant qu’il ne commence à fonctionner, certains craignaient que le nouveau briseur d’atomes ne détruise la Terre, peut-être en créant un trou noir dévorant. Mais tout physicien réputé affirmerait que de telles inquiétudes ne sont pas fondées.
« Le LHC est sûr, et toute suggestion qu’il pourrait présenter un risque est de la pure fiction », a déclaré le directeur général du CERN Robert Aymar à LiveScience par le passé.
Cela ne veut pas dire que l’installation ne pourrait pas être potentiellement dangereuse si elle était utilisée de manière inappropriée. Si vous mettiez votre main dans le faisceau, qui concentre l’énergie d’un porte-avions en mouvement sur une largeur de moins d’un millimètre, il la transpercerait de part en part, puis les radiations dans le tunnel vous tueraient.
Recherche révolutionnaire
Au cours des dix dernières années, le LHC a fracassé des atomes ensemble pour ses deux expériences principales, ATLAS et CMS, qui fonctionnent et analysent leurs données séparément. Cela permet de s’assurer qu’aucune collaboration n’influence l’autre et que chacune fournit un contrôle sur son expérience sœur. Les instruments ont généré plus de 2 000 articles scientifiques sur de nombreux domaines de la physique fondamentale des particules.
Le 4 juillet 2012, le monde scientifique a suivi en retenant son souffle l’annonce par les chercheurs du LHC de la découverte du boson de Higgs, la dernière pièce du puzzle d’une théorie vieille de cinq décennies appelée le modèle standard de la physique. Le modèle standard tente de rendre compte de toutes les particules et forces connues (à l’exception de la gravité) et de leurs interactions. Dès 1964, le physicien britannique Peter Higgs a écrit un article sur la particule qui porte désormais son nom, expliquant comment la masse apparaît dans l’univers.
Le Higgs est en fait un champ qui imprègne tout l’espace et entraîne chaque particule qui le traverse. Certaines particules traînent plus lentement à travers le champ, et cela correspond à leur plus grande masse. Le boson de Higgs est une manifestation de ce champ, après lequel les physiciens courent depuis un demi-siècle. Le LHC a été explicitement construit pour capturer enfin cette proie insaisissable. Ayant finalement découvert que le boson de Higgs avait une masse 125 fois supérieure à celle d’un proton, Peter Higgs et le physicien théoricien belge François Englert ont tous deux reçu le prix Nobel en 2013 pour avoir prédit son existence.
Même avec le Higgs en main, les physiciens ne peuvent pas se reposer car le modèle standard a encore quelques trous. Pour commencer, il ne traite pas de la gravité, qui est principalement couverte par les théories de la relativité d’Einstein. Il n’explique pas non plus pourquoi l’univers est constitué de matière et non d’antimatière, qui aurait dû être créée en quantités à peu près égales au début des temps. Et elle est entièrement silencieuse sur la matière noire et l’énergie noire, qui n’avaient pas encore été découvertes lors de sa création.
Avant l’allumage du LHC, de nombreux chercheurs auraient dit que la prochaine grande théorie est une théorie connue sous le nom de supersymétrie, qui ajoute des partenaires jumeaux similaires mais beaucoup plus massifs à toutes les particules connues. Un ou plusieurs de ces partenaires lourds auraient pu être un candidat parfait pour les particules composant la matière noire. De plus, la supersymétrie permet de mieux comprendre la gravité, en expliquant pourquoi elle est beaucoup plus faible que les trois autres forces fondamentales. Avant la découverte du Higgs, certains scientifiques espéraient que le boson finirait par être légèrement différent de ce que le modèle standard prévoyait, laissant entrevoir une nouvelle physique.
Mais lorsque le Higgs s’est révélé, il était incroyablement normal, exactement dans la plage de masse où le modèle standard le prévoyait. Bien qu’il s’agisse d’une grande réussite pour le modèle standard, cela a laissé les physiciens sans aucune piste valable sur laquelle s’appuyer. Certains ont commencé à parler des décennies perdues à poursuivre des théories qui semblaient bonnes sur le papier mais qui ne semblent pas correspondre aux observations réelles. Beaucoup espèrent que les prochaines prises de données du LHC permettront d’éclaircir une partie de ce désordre.
Le LHC s’est arrêté en décembre 2018 pour passer deux ans de mises à niveau et de réparations. Lorsqu’il reviendra en ligne, il sera en mesure de fracasser les atomes ensemble avec une légère augmentation de l’énergie, mais avec le double du nombre de collisions par seconde. Personne ne sait ce qu’il trouvera alors. On parle déjà d’un accélérateur de particules encore plus puissant pour le remplacer, situé dans la même zone mais quatre fois plus grand que le LHC. La construction de cet énorme remplacement pourrait prendre 20 ans et coûter 27 milliards de dollars.