Vous avez entendu parler du Large Hadron Collider, le puissant destructeur de particules du Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, mieux connu sous le nom de Cern, le centre européen de physique des particules. Le collisionneur, un circuit souterrain de 27 km de long sous la frontière franco-suisse, éclaire le fonctionnement de l’univers à la plus petite échelle, et pour les physiciens des particules, c’est notre passeport vers les fondements inconnus de tout ce qui nous entoure.
Le LHC a fait sensation à l’échelle mondiale à ses débuts en 2010 et un autre lorsque l’insaisissable boson de Higgs, une particule fondamentale, y a été découvert en 2012. Mais les choses sont plus calmes au LHC depuis lors, du moins, c’est ce que l’on pourrait penser. . regarder la presse Est-ce un signe que la science au LHC ralentit, ou est-ce quelque chose à prévoir dans un effort à long terme de plusieurs décennies ? Qu’est-il arrivé au grand voyage de l’Europe dans l’espace intérieur ?
La physique des particules est une science aux échelles déconcertantes. Il s’agit des plus petits constituants de la matière et des forces fondamentales qui les maintiennent ensemble. Les plus grandes installations expérimentales du monde sont nécessaires pour obtenir les niveaux de détail les plus fins de l’univers (plus d’un billion de billions de fois plus petits que nous). Et ces détails façonnent la nature à grande échelle de l’univers.
À l’échelle minuscule de la physique des particules, l’univers est simple. La matière consiste en une poignée de différents types de particules fondamentales, maintenues ensemble par quelques forces fondamentales et baignées dans un champ d’énergie. Ce champ, le champ de Higgs, donne aux particules fondamentales leur masse et établit la force d’une paire de forces fondamentales.
Toute cette activité est décrite dans une équation succincte qui orne de nombreux tee-shirts et mugs en vente dans la boutique du Cern. L’équation est la pierre angulaire du soi-disant modèle standard, la théorie de la physique des particules.
Le modèle standard est une théorie très réussie. Ses prédictions ont été vérifiées par de nombreuses expériences. Lors de la conception du LHC, une question centrale restait ouverte. Il s’agissait de savoir si le boson de Higgs, une particule associée au champ de Higgs et prédit par le modèle standard, existait ou non.
Cependant, le modèle standard a ses défauts. Les physiciens des particules pensent qu’il ne peut s’agir d’une description définitive de la nature, et le LHC a également été conçu pour en étudier les implications.
Il y a beaucoup de choses que le modèle standard ne nous dit pas sur l’univers ; par exemple, il ne décrit pas la force de gravité. Cela n’explique pas la composition et le comportement de la matière noire, le matériau invisible semblable à de la colle qui maintient les galaxies ensemble lorsqu’elles tournent. Cela n’explique pas pourquoi l’antimatière est subtilement différente de la matière d’une manière qui signifie que nous vivons dans un univers dominé par la matière, plutôt que dans un univers composé d’antimatière. Cela n’explique pas pourquoi il existe tant de sortes de particules fondamentales et de forces fondamentales, ni même si celles que nous avons vues jusqu’ici sont vraiment fondamentales.
En fin de compte, le modèle standard n’explique pas du tout l’univers. Et à cause de cela, les physiciens des particules pensent qu’il échouera à un moment donné.
À ce stade, nous serons dans le domaine de la nouvelle physique et une nouvelle théorie correspondante sera nécessaire pour l’expliquer. On ne sait pas exactement ce que sera cette nouvelle théorie physique, mais elle devra être plus profonde et plus fondamentale que le modèle standard. La concurrence est intense entre les physiciens théoriciens pour le concevoir. Et la concurrence est vive entre les physiciens expérimentateurs pour utiliser le LHC afin de rechercher des preuves de cette nouvelle physique.
C’est ce qui prend beaucoup de temps au Cern, décevant sans aucun doute ceux qui, en dehors du monde scientifique, ont remarqué la percée du boson de Higgs et s’attendaient à ce que l’installation produise coup après coup.
Le LHC est unique, plus puissant et plus intense que tout autre accélérateur que nous ayons jamais construit. Lorsqu’il fonctionne, il entre en collision deux faisceaux de particules à haute énergie 40 m fois par seconde dans chacun de ses quatre principaux centres expérimentaux. A chaque collision, de nouvelles particules fondamentales plus rares sont produites de façon fugitive. Ceux-ci s’écoulent à travers les dalles du détecteur de particules, se décomposant en particules plus stables et observables au fur et à mesure. Les détecteurs de particules forment un énorme appareil photo numérique tridimensionnel et prennent un instantané des débris (ondes de charge, éclairs de lumière) laissés par les particules qui le traversent. Un grand nombre de ces instantanés sont enregistrés et analysés.
Les chercheurs comparent les données avec les prédictions théoriques et vérifient si les prédictions tiennent ou échouent. S’ils ne sont pas d’accord (et que la mesure est correcte, ce qui doit également être vérifié), alors la prédiction et la théorie sont fausses. S’ils correspondent, alors la théorie est confirmée, du moins là où elle peut être vérifiée. C’est la méthode qui sous-tend le progrès scientifique.
Il se poursuit sans relâche chaque jour au LHC alors que davantage de données sont analysées, et chaque jour en dehors du Cern, alors que les théoriciens du monde entier affinent et développent des prédictions à partir du modèle standard et de théories concurrentes au-delà. Ce qui rend la recherche au LHC unique et précieuse, c’est le niveau de détail médico-légal que la machine nous offre pour étudier et comprendre des secteurs jusqu’ici inexplorés de l’univers.
De l’extérieur, il est clair que la science progresse s’il y a une découverte : une particule est prédite, quelque chose est vu dans les données qui correspond à la prédiction à un niveau de précision bien au-delà de toute fluctuation aléatoire. voila! Une autre brique dans le mur du modèle standard, un autre pas en avant.
C’est arrivé en 2012 avec la découverte du boson de Higgs. Ce fut un événement vraiment digne d’intérêt; Après tout, ce n’est pas tous les jours qu’un morceau fondamental de l’univers est découvert.
Il est important de noter que la science progresse également d’autres manières. Progressez en étudiant quelque chose que vous connaissez déjà, mais de plus en plus en détail. C’est l’étape nécessaire pour replacer une découverte dans son contexte, pour vraiment la comprendre et aller de l’avant. C’est aussi l’étape nécessaire pour voir quand une théorie commence à s’effondrer et qu’il faut changer de cap. La science avance aussi si vous ne trouvez rien.
L’une de nos questions restantes sur l’univers concerne la matière noire et ce qu’elle est vraiment. Plusieurs observations astronomiques soutiennent l’idée que la matière noire influence le mouvement des étoiles et des galaxies, mais la matière noire elle-même n’a jamais été vue directement.
Il existe de nombreuses idées, intégrées dans des théories, sur la composition de la matière noire en termes de particules constitutives. Des expériences dédiées ont été construites pour tester certaines de ces idées ; d’autres peuvent être testés par des expériences au LHC. Vous n’en avez pas beaucoup entendu parler car nous n’avons encore rien trouvé qui ressemble à de la matière noire (vous pouvez parier que vous l’auriez fait si nous l’avions fait).
Le manque d’observation de la matière noire peut sembler comme la recherche a été vaine, mais le contraire est vrai. Le LHC ne nous a peut-être pas encore dit ce qu’est la matière noire, mais il nous a beaucoup appris sur ce qu’elle n’est pas. Comme le chien qui n’aboie pas la nuit, l’absence de quelque chose révèle encore des détails importants. Cela nous permet d’exclure les explications possibles et de réduire les pistes où la réponse pourrait (ou non) se cacher.
Cette approche ne s’applique pas seulement à la matière noire, elle fonctionne pour toute théorie que nous voulons tester. Puisque nous ne pouvons pas forcer l’univers à fournir une réponse là où il serait commode pour nous de la trouver, cette approche est également assez pragmatique.
En un sens, travailler au LHC, c’est comme voyager sur une nouvelle planète quelque part pour comprendre et cataloguer la vie qui s’y trouve. Vous commencez à regarder avec des jumelles et balayez le paysage. Toute vie attire votre attention et vous construisez rapidement une liste des types d’animaux et de plantes qui existent. Mais votre travail consiste également à comprendre comment ces formes de vie ont évolué, quel genre d’ancêtres elles avaient et comment ces ancêtres ont évolué, quand les premières formes de vie ont évolué et comment tout cela est lié. Bientôt, vous devrez commencer à regarder sous la surface et à comprendre les archives fossiles. C’est un travail long et minutieux qui nécessite la plupart de votre temps, mais c’est la seule façon de reconstituer et finalement de comprendre la trame de fond de la vie là-bas.
Et c’est là où en est le LHC aujourd’hui : moins de la moitié de sa durée de vie opérationnelle, des victoires faciles passées lorsqu’il a exploré pour la première fois un endroit inexploré et une analyse sérieuse et systématique de nouveaux niveaux de détails pour comprendre les tenants et les aboutissants du LHC. derrière les découvertes (ou leur absence).
Il y a eu des découvertes au LHC au-delà du boson de Higgs : de nouvelles formes de matière qui contiennent plus de particules fondamentales que d’habitude, et de nouveaux types de comportement des particules. Il y a eu des études sur les particules fondamentales et l’antimatière et des indices de comportement anormal qui nécessitent plus de données pour approfondir leurs recherches. Et il y a eu beaucoup, beaucoup de recherches sur des phénomènes que nous n’avons pas encore trouvés.
Cela ne veut pas dire que ces phénomènes n’existent pas ; ils peuvent être plus rares et nécessiter l’ensemble des données du LHC pour les voir, ou ils peuvent ne pas exister là où le LHC peut les voir. Nous ne le saurons pas tant que nous n’aurons pas fini de chercher. Et parallèlement à cela, il y a de nouvelles avancées en physique théorique, de nouvelles idées et des prédictions plus précises à tester.
Le LHC est une usine de percées scientifiques, progressant constamment vers une meilleure compréhension scientifique. Vous n’en entendez peut-être pas beaucoup parler, mais quelle que soit la nature ultime de l’univers, le LHC nous rapproche de plus en plus de sa compréhension.
Tara Shears est professeur de physique des particules à l’Université de Liverpool.
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