Dix ans après la découverte du boson de Higgs, le LHC du CERN, le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules au monde, redémarrera mardi avec une énergie de collision record. Le but? Allez un peu plus loin dans les secrets de la matière.
Le Large Hadron Collider (LHC) a été redémarré en avril, après un arrêt technique de trois ans, pour effectuer des travaux de maintenance et améliorer sa production et la détection de particules.
Il fonctionnera à sa puissance de collision totale de 13,6 billions de volts (TeV) pendant quatre ans, ont annoncé des responsables de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) lors d’une conférence de presse la semaine dernière.
Ses deux faisceaux de protons – les particules du noyau de l’atome -, accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière, circuleront en sens opposés à travers l’anneau de 27 km, enfoui à 100 mètres sous terre à la frontière franquiste-suisse.
Les détecteurs de diverses expériences (notamment ATLAS, CMS, ALICE et LHCb) enregistreront ensuite les collisions de protons, qui produisent des particules éphémères expliquant le fonctionnement de la matière.
– 1,6 milliard de collisions par seconde –
“Nous visons un taux de 1,6 milliard de collisions proton-proton par seconde pour les expériences ATLAS et CMS”, a déclaré jeudi Mike Lamont, directeur des accélérateurs et de la technologie au CERN.
Plus ces collisions sont violentes, plus elles permettent de « casser » les particules pour identifier leurs composants et leurs interactions.
Les faisceaux de protons seront concentrés pour atteindre une taille microscopique aux points d’interaction, “10 microns, afin d’augmenter le taux de collision” des protons, a expliqué Mike Lamont.
Le temple mondial de l’infiniment petit, construit en 2008, a conduit à la découverte du boson de Higgs, annoncée il y a exactement dix ans par Fabiola Gianotti, alors coordinatrice de l’expérience CMS et aujourd’hui directrice générale du CERN.
“Le boson de Higgs est lié à certaines des questions les plus profondes de la physique fondamentale, de la structure et de la forme de l’Univers à la façon dont les autres particules sont organisées”, selon le chercheur.
Sa découverte a révolutionné la physique, confirmant la prédiction des chercheurs qui en avaient fait, près de 50 ans plus tôt, une pièce maîtresse du Modèle Standard de la Physique des Particules (SM). Le boson de Higgs est la manifestation d’un champ, c’est-à-dire d’un espace, qui donne trop aux particules élémentaires qui composent la matière.
– Plus de secrets à livrer –
Les chercheurs ont pu l’effacer en analysant quelque 1,2 milliard de collisions de protons entre eux. Le troisième tour du LHC qui s’ouvre ce mardi multipliera ce chiffre par vingt. “C’est une augmentation significative qui ouvre la voie à de nouvelles découvertes”, note Mike Lamont.
Car le boson de Higgs n’a pas livré tous ses secrets. A commencer par sa nature. “C’est une particule fondamentale ou un composé”, c’est-à-dire un ensemble de plusieurs particules encore inconnues, s’interroge Joachim Mnich, directeur de la recherche et du calcul au CERN. Mieux, “est-ce la seule particule de Higgs existante ou y en a-t-il d’autres ?”
Des expériences antérieures ont déterminé la masse du boson de Higgs et ont également découvert plus de 60 particules composites prédites par le modèle standard, comme le tétraquark.
Mais comme le rappelle Gian Giudice, chef du département de physique théorique du CERN, “les particules ne sont que la manifestation d’un phénomène”, alors que “le but de la physique des particules est de comprendre les principes fondamentaux de la nature”. Comme la nature de l’hypothétique matière noire ou la non moins mystérieuse énergie noire.
Neuf expériences profiteront ainsi de la production de particules de l’accélérateur. Comme ALICE, qui étudie le plasma primordial de matière qui a régné dans les dix premières microsecondes après le Big Bang. Ou LHCf, qui simule les rayons cosmiques.
La prochaine étape du grand collisionneur viendra après la troisième pause, en 2029, avec son passage en “haute luminosité”, qui multipliera par dix le nombre d’événements détectables.
Au-delà, les chercheurs du CERN se penchent sur le projet Future Circular Collider (FCC), un anneau de 100 km dont l’étude de faisabilité est attendue fin 2025. « Ce sera la machine ultime pour étudier le boson de Higgs, qui est un outil très puissant. pour comprendre la physique fondamentale », a conclu Fabiola Gianotti.