Le 22 avril 2022, profondément sous la frontière franco-suisse près de Genève, en Suisse, deux faisceaux de protons ont été accélérés autour d’un anneau de 27 kilomètres entrant en collision et créant une pluie de particules secondaires. L’expérience n’a rien de nouveau pour le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. En fait, en entrant en collision à une injection de 450 milliards d’électronvolts (450 GeV), l’expérience est bien en deçà de la puissance que cet accélérateur de particules, le plus grand et le plus puissant de l’humanité, peut atteindre.
Pourtant, c’est ce que représente ce modeste test du LHC qui enthousiasme les physiciens. Le test marque le début d’une nouvelle série d’expériences avec le LHC qui feront entrer en collision des particules jusqu’à une énergie de 13,6 billions d’électronvolts (TeV), les collisions les plus puissantes à l’accélérateur à ce jour. Et ce n’est que le début de ce qui devrait être une nouvelle période passionnante pour la physique des particules.
Cette troisième période d’expérimentation du LHC, connue sous le nom de Run 3, conduira à une nouvelle pause prolongée en 2026. Au cours d’une pause de trois ans jusqu’en 2029, le LHC subira sa transformation la plus importante à ce jour, achevant la mise à niveau à haute luminosité qui a commencé en 2018. Par la suite, la luminosité du LHC sera augmentée d’un facteur estimé à 10.
La luminosité du LHC fait référence au nombre de particules qu’il est capable d’entrer en collision, et une augmentation des collisions signifie une plus grande chance de repérer une physique exotique et inédite. Cela signifie que l’accélérateur qui en résultera, le grand collisionneur de hadrons à haute luminosité (HL-LHC), aura le pouvoir de sonder la physique qui régit l’univers au-delà de ce que l’on appelle le modèle standard de la physique des particules.
Au-delà du modèle standard
Il est normal que l’humanité se tourne vers le LHC pour rechercher une physique au-delà du modèle standard – la meilleure description que nous ayons des particules et des interactions qui régissent le monde subatomique. C’est après tout avec ce formidable appareil que ce modèle, conçu pour la première fois en 1971, a été complété.
En juillet 2012, dans une salle de conférence du CERN en Suisse, la découverte du boson de Higgs, détecté par les expériences LHC ATLAS et CMS, a été annoncée. Le boson – une particule porteuse de force – représentait la dernière particule prédite par le modèle standard. Ainsi sa découverte, qui allait remporter le prix Nobel de physique en 2013, représentait l’achèvement de ce modèle.
De plus, en tant que particule médiatrice du soi-disant champ de Higgs, le boson de Higgs est la particule responsable de l’octroi de leur masse à la plupart des autres habitants du zoo de particules. Cela signifie que sa découverte a également marqué le problème de longue date en physique de savoir comment la plupart des particules obtiennent leur masse.
Pourtant, malgré le sens de la finalité que cette déclaration peut suggérer, ce n’était en aucun cas le dernier élément de physique à découvrir. Il y a des éléments de physique qui ne sont pas décrits par le modèle standard, comme la nature de la matière noire et ce qui donne aux neutrinos leur minuscule masse presque insignifiante.
De même, il reste encore des questions concernant le boson de Higgs lui-même, qui n’est pas exactement la particule qui devait exister avant sa découverte.
Ce sont ces questions et ces énigmes persistantes que le LHC est maintenant en mesure de commencer à sonder.
“Nous avons découvert comment des particules comme l’électron acquièrent une masse par le biais d’interactions avec le boson de Higgs, complétant le” modèle standard “- la théorie de la nature la plus réussie connue des humains. Cependant, de nombreuses observations ne sont pas prédites par ce modèle », explique Salvatore Rappoccio de l’Université de Buffalo, New York, États-Unis, qui recherche une nouvelle physique à l’aide de l’expérience Compact Muon Solenoid (CMS) située au LHC.
Rappoccio a déclaré à Elsevier : « Après la découverte du boson de Higgs, aucune nouvelle interaction physique n’a été observée au LHC. Cela nous amène à la conclusion que, s’ils existent, ils sont soit à des énergies supérieures à la capacité du LHC [of around 13 TeV] ou ont des probabilités de production extrêmement faibles dans nos collisions et sont cachées parmi les processus d’arrière-plan. »
L’une des questions auxquelles Rappoccio et son équipe chercheront à répondre est de savoir pourquoi le boson de Higgs découvert au LHC est légèrement différent de la particule prédite par le modèle standard.
Une meilleure compréhension du boson de Higgs et de la physique qui l’entoure pourrait être apportée par le fait que le HL-LHC sera capable de créer beaucoup plus de particules que le LHC n’était capable de le faire. En 2017, le LHC a créé environ 3 millions de particules de Higgs. Les opérateurs du CERN estiment qu’en 2029, le HL-LHC créera environ 15 millions de bosons de Higgs.
Mais le HL-LHC ne pourra pas seulement sonder les lois de la physique dans l’univers tel qu’il existe aujourd’hui. Peut-être, plus impressionnant encore, le HI-LHC sera-t-il capable de reproduire les conditions trouvées immédiatement après le Big Bang, nous donnant ainsi l’image la plus claire de notre univers naissant.
Le grand collisionneur de hadrons : retour à l’aube de l’univers
Le LHC ne se contente pas de fracasser des faisceaux de protons, et son successeur, le HL-LHC non plus. Le plus grand accélérateur de particules au monde est également capable de fracasser des particules beaucoup plus lourdes – même des atomes de l’élément fer dépourvus d’électrons.
La collision des ions de fer est beaucoup moins fréquente au LHC que les collisions proton-proton, avec un mois par an consacré à ce type d’expérience, mais cela ne veut pas dire qu’elle n’a pas été fructueuse. En 2020, des chercheurs du CERN ont pu créer un plasma quark-gluon, un état de la matière significatif car il existait dans les premiers instants de l’univers, peu après le Big Bang.
Dans les conditions extrêmes créées au LHC, les protons et les neutrons qui composent les ions plomb « fondent » au cours du processus, libérant les quarks de leurs liaisons avec les gluons. Observer comment le plasma quark-gluon se dilate et se refroidit donne aux chercheurs un indice sur la façon dont il a progressivement donné naissance aux particules qui composent l’univers alors qu’il se refroidissait et se dilatait également à ses débuts.
De telles études sont également essentielles pour comprendre les interactions de l’une des quatre forces fondamentales de l’univers, la force nucléaire forte. Cette discipline, connue sous le nom de Chromodynamique Quantique (QCD), décrit les interactions entre les quarks et les gluons.
Le LHC n’est pas la première machine à reproduire cet état de la matière, mais il améliore les efforts précédents en créant un plasma quark-gluon plus chaud, plus dense et à durée de vie plus longue permettant aux physiciens d’étudier cet état de la matière avec des détails sans précédent.
Les quarks et les gluons ne se trouvent généralement que contenus dans d’autres particules comme les protons et les neutrons. Ils n’existent librement qu’à des énergies incroyablement élevées telles que celles qui existaient dans l’univers primitif lorsqu’il était dans un état incroyablement chaud et dense avant que l’inflation ne le fasse se dilater et se refroidir.
En utilisant le détecteur ALICE du LHC, les chercheurs de l’accélérateur ont pu estimer la température du plasma quark-gluon en utilisant des photons émis par cet état de la matière en plus de déterminer sa densité d’énergie, les deux ayant donné des résultats supérieurs aux estimations précédentes. Les scientifiques du CERN ont également pu utiliser des particules créées par cette “soupe” dense et chaude de matière pour sonder sa forme et d’autres qualités.
Grâce aux mises à niveau du LHC, le détecteur ALICE, l’instrument clé pour mesurer les particules créées par les collisions d’ions lourds, a reçu un énorme coup de pouce.
Au cours du Run 3, le CERN s’attend à ce que les expériences ATLAS et CMS réalisent plus de collisions qu’au cours de ses deux autres périodes d’exploitation combinées, tandis que LHCb verra son nombre de collisions multiplié par trois. L’effet sur ALICE sera encore plus intense, ce détecteur pourra dans le futur mesurer jusqu’à 50 fois plus de collisions d’ions lourds qu’auparavant.
Plus d’événements de collision signifient la création de plus de plasma quark-gluon et un état plus durable de cette matière primordiale et fournissent aux chercheurs plus de données pour étudier les conditions de l’univers primitif.
“La prochaine décennie au LHC offre de nombreuses opportunités pour une exploration plus poussée du plasma quark-gluon”, a déclaré le porte-parole de l’expérience ALICE, Luciano Musa, dans un communiqué de presse du CERN. « Le décuplement attendu du nombre de collisions d’ions plomb-plomb devrait à la fois augmenter la précision des mesures des sondes connues du milieu et nous donner accès à de nouvelles sondes. De plus, nous prévoyons d’explorer les collisions entre des noyaux plus légers, ce qui pourrait éclairer davantage la nature du milieu. »