En 2008, un faisceau de protons a zippé pour la première fois autour du Grand collisionneur de hadrons (LHC), l'accélérateur de particules le plus puissant du monde. Maintenant, une décennie plus tard, il est temps de faire le bilan de ce que nous avons appris grâce à cette installation et de ce qui nous attend.
Cette comptabilité comprend à la fois les recherches futures que le LHC peut mener et les nouvelles installations possibles qui pourraient heurter des particules à des énergies bien au-delà de ce que le LHC peut réaliser. Deux, voire trois, remplacements possibles du LHC ont été proposés. Voyons donc où nous en sommes et où nous en sommes arrivés au cours de la dernière décennie.
L'histoire du LHC est à la fois exaltante et turbulente, avec des événements allant des dommages désastreux aux énormes aimants de l'instrument dans les premiers jours de fonctionnement, à une montée semblable à un phénix de cette tragédie, suivie de découvertes solides et passionnantes, y compris la découverte de le boson de Higgs. Cette découverte a valu à Peter Higgs et François Englert le prix Nobel, car ils avaient prédit la particule il y a plus d'un demi-siècle. Il est inhabituel que le monde suive avec enthousiasme les actualités de la physique des particules, mais l'annonce de la découverte de Higgs a conduit des bulletins d'information à travers le monde.
Trouver une nouvelle physique
Les physiciens étaient également au bord de leurs sièges, attendant ce qu'ils espéraient être des découvertes inattendues. Pendant près d'un demi-siècle, les scientifiques ont élaboré la compréhension théorique actuelle du comportement de la matière subatomique. Cette compréhension s'appelle le modèle standard de la physique des particules.
Le modèle explique le comportement observé des molécules et des atomes de matière ordinaire et même des plus petits blocs de construction connus jamais observés. Ces particules sont appelées quarks et leptons, les quarks se trouvant à l'intérieur des protons et des neutrons qui composent le noyau de l'atome et les électrons étant le lepton le plus familier. Le modèle standard explique également le comportement de toutes les forces connues, à l'exception de la gravité. C'est vraiment une réalisation scientifique extraordinaire.
Cependant, le modèle standard n'explique pas tout en physique théorique. Cela n'explique pas pourquoi les quarks et les leptons semblent exister en trois configurations distinctes, mais presque identiques, appelées générations. (Pourquoi trois? Pourquoi pas deux? Ou quatre? Ou un? Ou 20?) Ce modèle n'explique pas pourquoi notre univers est entièrement fait de matière, alors que la compréhension la plus simple de la théorie de la relativité d'Albert Einstein dit que l'univers devrait également contenir une quantité égale d'antimatière.
Le modèle standard n'explique pas pourquoi les études du cosmos suggèrent que la matière ordinaire des atomes ne représente que 5% de la matière et de l'énergie de l'univers. Le reste serait constitué de matière noire et d'énergie noire. La matière noire est une forme de matière qui ne connaît que la gravité et aucune des autres forces fondamentales, tandis que l'énergie sombre est une forme de gravité répulsive qui imprègne le cosmos.
Avant les premières opérations du LHC, les physiciens comme moi espéraient que le broyeur d'atomes nous aiderait à répondre à ces questions déroutantes. La théorie candidate la plus souvent citée pour expliquer ces énigmes était la supersymétrie. Cela suggère que toutes les particules subatomiques connues ont des particules homologues "superpartenaires". Ceux-ci, à leur tour, pourraient fournir une explication pour la matière noire et répondre à d'autres questions. Cependant, les physiciens n'ont observé aucune supersymétrie. De plus, les données du LHC ont exclu les théories les plus simples intégrant la supersymétrie. Alors, qu'a accompli le LHC?
Le LHC a fait beaucoup
Eh bien, en dehors de cette histoire de boson de Higgs, le LHC a fourni des données à ses quatre grandes collaborations expérimentales, résultant en plus de 2000 articles scientifiques. À l'intérieur du LHC, des particules se sont écrasées à des énergies 6,5 fois supérieures à celles obtenues par le Fermilab Tevatron, qui a détenu le titre d'accélérateur de particules le plus puissant du monde pendant un quart de siècle, jusqu'à ce que le LHC prenne cette couronne.
Ces tests du modèle standard étaient très importants. N'importe laquelle de ces mesures aurait pu être en désaccord avec les prévisions, ce qui aurait conduit à une découverte. Cependant, il s'avère que le modèle standard est une très bonne théorie, et il a fait des prévisions aussi précises aux énergies de collision du LHC que pour les niveaux d'énergie du Tevatron précédent.
Alors, est-ce un problème? Dans un sens très réel, la réponse est non. Après tout, la science consiste autant à tester et à rejeter les nouvelles idées fausses qu'à valider les bonnes.
D'un autre côté, on ne peut nier que les scientifiques auraient été beaucoup plus excités de découvrir des phénomènes qui n'avaient pas été prédits auparavant. Les découvertes de ce type stimulent la connaissance humaine, aboutissant à la réécriture des manuels.
L'histoire du LHC n'est pas terminée
Et maintenant? Le LHC a-t-il fini de nous raconter son histoire? À peine. En effet, les chercheurs attendent avec impatience des améliorations de l'équipement qui les aideront à étudier les questions auxquelles ils ne peuvent pas répondre en utilisant la technologie actuelle. Le LHC a fermé ses portes début décembre 2018 pour deux ans de rénovations et de mises à niveau. Lorsque l'accélérateur reprendra ses activités au printemps 2021, il reviendra avec une légère augmentation d'énergie mais le double du nombre de collisions par seconde. Compte tenu des futures mises à niveau prévues, les scientifiques du LHC n'ont jusqu'à présent enregistré que 3% des données attendues. Bien qu'il faudra de nombreuses années pour passer au crible toutes les conclusions, le plan actuel consiste à enregistrer environ 30 fois plus de données que ce qui a été obtenu à ce jour. Avec beaucoup plus de données à venir, le LHC a encore beaucoup d'histoires à raconter.
Pourtant, alors que le LHC fonctionnera pendant probablement encore 20 ans, il est parfaitement raisonnable de demander également: «Quelle est la prochaine étape? Les physiciens des particules envisagent de construire un accélérateur de particules de suivi pour remplacer le LHC. Suivant la tradition du LHC, une possibilité serait de heurter des faisceaux de protons ensemble à des énergies ahurissantes - 100 billions d'électrons volts (TeV), ce qui est beaucoup plus important que la capacité maximale du LHC de 14 TeV. Mais l'accomplissement de ces énergies nécessitera deux choses: Premièrement, nous aurions besoin de construire des aimants deux fois plus puissants que ceux qui poussent les particules autour du LHC. C'est considéré comme un défi mais réalisable. Deuxièmement, nous aurons besoin d'un autre tunnel, un peu comme celui du LHC, mais bien plus de trois fois plus grand, avec une circonférence approximative de 61 miles (100 kilomètres), environ quatre fois plus grande que celle du LHC.
Mais où sera construit ce grand tunnel et à quoi ressemblera-t-il vraiment? Quels faisceaux vont entrer en collision et à quelle énergie? Eh bien, ce sont de bonnes questions. Nous ne sommes pas assez avancés dans le processus de conception et de prise de décision pour obtenir des réponses, mais il y a deux groupes de physiciens très importants et accomplis qui réfléchissent aux problèmes, et ils ont chacun généré une proposition pour un nouvel accélérateur. L'une des propositions, largement motivée par des groupes de recherche européens, imagine la construction d'un grand accélérateur supplémentaire, probablement situé au laboratoire du CERN, juste à l'extérieur de Genève.
Selon une idée, une installation là-bas entrerait en collision avec un faisceau d'électrons et des électrons d'antimatière. En raison des différences entre l'accélération des protons par rapport aux électrons - un faisceau d'électrons perd plus d'énergie autour de la structure circulaire qu'un faisceau de protons - ce faisceau utiliserait le tunnel de 61 miles de long mais fonctionnerait à une énergie plus faible que s'il s'agissait de protons. Une autre proposition utiliserait le même accélérateur de 61 milles de long pour entrer en collision avec des faisceaux de protons. Une proposition plus modeste réutiliserait le tunnel actuel du LHC mais avec des aimants plus puissants. Cette option ne ferait que doubler l'énergie de collision au-dessus de ce que le LHC peut faire maintenant, mais c'est une alternative moins coûteuse. Une autre proposition, largement soutenue par des chercheurs chinois, imagine une installation entièrement nouvelle, vraisemblablement construite en Chine. Cet accélérateur serait également d'environ 61 miles autour, et il entrerait en collision des électrons et des électrons d'antimatière ensemble, avant de passer aux collisions proton-proton vers 2040.
Ces deux projets potentiels sont encore en cours de discussion. Finalement, les scientifiques qui feront ces propositions devront trouver un gouvernement ou un groupe de gouvernements prêts à payer la facture. Mais avant que cela ne se produise, les scientifiques doivent déterminer les capacités et les technologies nécessaires pour rendre ces nouvelles installations possibles. Les deux groupes ont récemment publié une documentation complète et approfondie sur leurs conceptions. Cela ne suffit pas pour construire les installations proposées, mais c'est suffisant pour comparer les performances projetées des futurs laboratoires et commencer à établir des prévisions de coûts fiables.
Étudier la frontière du savoir est une entreprise difficile, et il peut s'écouler plusieurs décennies entre les premiers rêves de construction d'une installation de cette ampleur, les opérations jusqu'à la fermeture de l'installation. Alors que nous célébrons le 10e anniversaire de la première poutre du LHC, il vaut la peine de faire le bilan de ce que l'installation a accompli et de ce que l'avenir nous réserve. Il me semble qu'il y aura des données intéressantes pour la prochaine génération de scientifiques à étudier. Et peut-être, juste peut-être, nous apprendrons quelques-uns des secrets fascinants de la nature.
Don Lincoln est chercheur en physique à Fermilab. Il est l'auteur de "Le grand collisionneur de hadrons: l'histoire extraordinaire du boson de Higgs et d'autres trucs qui vous épateront"(Johns Hopkins University Press, 2014), et il produit une série d'enseignement des sciences vidéos. Suis-le sur Facebook. Les opinions exprimées dans ce commentaire sont les siennes.
Don Lincoln a contribué cet article à Live Science's Voix d'experts: Op-Ed & Insights.
