Une refonte qui pourrait révolutionner la physique

Profondément sous terre au milieu des Alpes, les scientifiques parviennent à peine à contenir leur excitation.

Ils chuchotent des découvertes qui modifieraient radicalement notre compréhension de l’Univers.

“Je suis à la recherche de la cinquième force depuis que je suis physicien des particules”, déclare le Dr Sam Harper. “Peut-être que c’est l’année”.

Au cours des 20 dernières années, Sam a tenté de trouver des preuves d’une cinquième force de la nature, la gravité, l’électromagnétisme et deux forces nucléaires étant les quatre que les physiciens connaissent déjà.

Il fonde ses espoirs sur une refonte majeure du Large Hadron Collider. C’est l’accélérateur de particules le plus avancé au monde – une vaste machine qui écrase les atomes pour les briser et découvrir ce qu’ils contiennent.

Il a été gonflé encore plus dans une mise à niveau de trois ans. Ses instruments sont plus sensibles, permettant aux chercheurs d’étudier la collision des particules de l’intérieur des atomes en plus haute définition ; son logiciel a été amélioré de sorte qu’il est capable de prendre des données à un rythme de 30 millions de fois par seconde ; et ses faisceaux sont plus étroits, ce qui augmente considérablement le nombre de collisions.

Tout cela signifie que le LHC a désormais toutes les chances de trouver des particules subatomiques complètement nouvelles pour la science. L’espoir est qu’il fera des découvertes qui déclencheront la plus grande révolution de la physique en cent ans.

En plus de croire qu’ils pourraient trouver une nouvelle cinquième force de la nature, les chercheurs espèrent trouver des preuves d’une substance invisible qui constitue la majeure partie de l’univers appelée matière noire.

La pression est sur les chercheurs ici pour livrer. Beaucoup s’attendaient à ce que le LHC ait trouvé des preuves d’un nouveau domaine de la physique à ce jour.

Le LHC fait partie de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, connue sous le nom de Cern, à la frontière franco-suisse, juste à l’extérieur de Genève. À l’approche, cela semble être un complexe banal – des blocs d’immeubles de bureaux et de dortoirs des années 1950, s’étendant sur un site de deux milles carrés de pelouses bien entretenues et de routes sinueuses portant le nom de physiciens vénérés.

L’histoire continue

Mais à 100 mètres sous terre, c’est une cathédrale de la science. J’ai pu pénétrer au cœur du LHC, dans l’un des détecteurs géants qui ont fait l’une des plus grandes découvertes de notre génération, le boson de Higgs, une particule subatomique sans laquelle beaucoup d’autres particules que nous connaissons n’auraient pas de masse . Le détecteur Atlas mesure 46 m de long et 25 m de haut. C’est l’un des quatre instruments du LHC qui analysent les particules créées par le LHC.

Il s’agit de 7 000 tonnes de métal, de silicium, d’électronique et de câblage, assemblés de manière complexe et précise. C’est une chose d’une grande beauté. “Majesté” est le mot utilisé par le Dr Marcella Bona de l’Université Queen Mary de Londres, qui est l’une des scientifiques qui utilise le détecteur Atlas pour ses expériences.

Je suis émerveillé par la vue, tandis que Marcella me parle des améliorations apportées au détecteur pendant les trois années d’arrêt du LHC.

“Ce sera deux à trois fois mieux, en termes de capacité de notre expérience à détecter, collecter et analyser des données”, me dit-elle. « Toute la chaîne expérimentale a été mise à niveau.

Au milieu des cliquetis et des coups des ingénieurs qui terminent la rénovation d’Atlas, j’ai du mal à imaginer que quelque chose d’aussi gros soit nécessaire pour détecter des particules plusieurs fois plus petites qu’un atome.

Le LHC dispose de quatre détecteurs de ce type, chacun réalisant des expériences différentes. C’est en plein centre de ces gigantesques détecteurs que des particules appelées protons, qui se trouvent au cœur des atomes, s’écrasent après avoir été accélérées à une vitesse proche de la vitesse de la lumière autour d’un anneau de 27 km de circonférence.

Les collisions créent des particules encore plus petites qui s’envolent dans des directions différentes. Leur trajectoire et leur énergie sont suivies par les systèmes de détection, et c’est cette piste qui indique aux scientifiques de quel type de particule il s’agit, un peu comme déterminer l’espèce et les caractéristiques d’un animal à partir de ses empreintes.

Presque toutes les particules plus petites résultant des collisions sont déjà connues de la science. Ce que les physiciens recherchent ici, c’est la preuve de nouvelles particules, qui peuvent résulter des collisions, mais dont on pense qu’elles sont créées extrêmement rarement.

Ce sont ces particules non découvertes qui, selon les physiciens, détiennent la clé pour ouvrir une toute nouvelle vision de l’Univers. Leur découverte créerait le plus grand changement dans la pensée physique depuis les théories de la relativité d’Einstein.

Les ingénieurs ont passé les trois dernières années à moderniser le LHC pour produire plus de collisions en moins de temps. La machine remise à neuf a beaucoup plus de chances de créer et de trouver les nouvelles particules rarement créées. Une grande partie de ce travail a été dirigée par le Dr Rhodri Jones, qui se réjouit de son titre de “Head of Beams”.

Je rencontre Rhodri dans la zone d’assemblage des aimants du Cern, qui ressemble à un vaste hangar d’avions. Ici, les ingénieurs réorganisent les aimants cylindriques de 15 mètres de long qui courbent les faisceaux de particules autour de l’accélérateur. C’est un travail de précision sans aucune marge d’erreur.

Rhodri me dit que son équipe a rendu les faisceaux plus étroits, de sorte que davantage de particules soient comprimées dans une zone plus petite. Cela augmente considérablement les chances que des particules s’écrasent les unes sur les autres.

“Nous examinons des processus très rares, donc plus le nombre de collisions est élevé, plus la chance de trouver réellement ce qui se passe et de voir de petites anomalies est grande”, dit-il.

“L’amélioration du faisceau signifie que pour toute la physique que nous avons effectuée depuis le début des années d’exploitation du LHC, nous pourrons obtenir le même nombre de collisions au cours des trois prochaines années qu’au ces dix années.”

Une autre grande amélioration a été la capture et le traitement des données des collisions. Dans le LHC remis à neuf, les données sont collectées à partir de chacun des quatre détecteurs à un rythme effréné de 30 millions de fois par seconde. C’est bien sûr beaucoup trop pour un esprit humain, mais n’importe laquelle des collisions peut contenir la preuve cruciale de l’existence de l’une des nouvelles particules que les scientifiques recherchent.

Le logiciel du LHC a été mis à jour afin qu’il recherche automatiquement toutes les données collectées et, à l’aide des dernières techniques d’IA, il identifie et enregistre les lectures susceptibles d’intéresser les scientifiques à analyser.

La théorie actuelle de la physique subatomique s’appelle le modèle standard. Bien qu’elle porte un nom sans imagination, la théorie a été brillante pour expliquer comment les particules subatomiques se réunissent pour créer des atomes qui composent le monde qui nous entoure. Le modèle standard explique également comment les particules interagissent via les forces de la nature, telles que l’électromagnétisme et les forces nucléaires qui maintiennent les composants des atomes ensemble.

Mais le modèle standard ne peut pas expliquer comment la gravité fonctionne ni comment les parties invisibles de l’Univers, que les physiciens appellent la matière noire et l’énergie noire, se comportent. Les scientifiques savent que ces particules et forces invisibles existent grâce au mouvement des galaxies dans l’espace – et ensemble, elles représentent 95 % de l’Univers. Mais personne n’a encore été en mesure de prouver leur existence et de déterminer ce qu’ils sont.

Le LHC a été construit pour détecter ces particules qui pourraient expliquer le fonctionnement de la grande masse du cosmos. Le Dr Marcella Bona me dit qu’il y a maintenant un réel espoir que les mises à niveau pourraient rendre cela possible.

“C’est une période vraiment excitante”, rayonne-t-elle. “Nous avons travaillé ces trois dernières années à mettre à jour les machines. Nous sommes maintenant prêts.”

Marcella a flambé de passion dès le moment où je l’ai rencontrée. Mais son enthousiasme monte d’un cran lorsque je lui demande si la découverte d’une particule de matière noire serait l’une des plus grandes découvertes de la physique.

“Je dirais oui”, rit-elle, les yeux écarquillés, “oui absolument, ce serait incroyable”, dit-elle, s’autorisant, momentanément, à se délecter de la perspective très réelle que cela se produise dans les mois à venir.

Non moins excité est le Dr Sam Harper, le scientifique qui a passé les deux dernières décennies à chasser la «cinquième force» de la nature. Il travaille sur un autre des quatre détecteurs du LHC appelé CMS, situé à l’autre extrémité du complexe du Cern.

Les résultats du LHC avant son arrêt pour la refonte et de plusieurs autres accélérateurs de particules à travers le monde ont trouvé des indices alléchants de cette cinquième force. Mais avec la puissance supplémentaire du LHC, Sam me dit que sa quête scientifique pourrait bientôt être terminée.

Et tout comme Marcella, l’excitation dans sa voix monte alors qu’il dit à haute voix ce qui ne peut pas être formellement dit dans les cercles scientifiques jusqu’à ce qu’il y ait des preuves solides.

“Ce serait bouleverser le domaine. Ce serait la plus grande découverte du LHC, la plus grande découverte en physique des particules depuis, depuis…”

Sam fait une pause, luttant pour trouver les mots.

“Ce sera plus gros que le Higgs”.

Le Cern fêtera cette année le dixième anniversaire de la découverte du boson de Higgs. Mais les festivités attirent l’attention sur le fait que le LHC financé par des fonds publics de 3,6 milliards de livres sterling, avec ses coûts de fonctionnement annuels de 750 000 livres sterling, n’a pas fait de très grande découverte depuis. Beaucoup avaient espéré, et certains s’attendaient à ce que l’accélérateur de particules le plus puissant ait découvert l’énergie noire, une cinquième force ou une autre particule qui change de paradigme à ce jour.

Beaucoup dépend des résultats que les chercheurs obtiendront au cours des prochaines années, car le Cern présentera bientôt des propositions pour un collisionneur de hadrons encore plus grand. Le plan le plus ambitieux, appelé Future Circular Collider (FCC) aurait un anneau de 60 milles de circonférence, qui passerait sous le lac Léman.

La FCC pourrait coûter environ 20 milliards de livres sterling. La machine actuelle a encore au moins dix ans et plusieurs autres améliorations qui lui donneront encore plus de punch pour essayer de découvrir les particules qui changeront à jamais la physique. Mais les responsables scientifiques du Cern présenteront bientôt leurs arguments pour la prochaine phase des expériences de physique des particules. Il sera plus difficile de persuader les gouvernements des pays membres de s’engager à une forte augmentation du financement si la dernière mise à jour ne parvient pas à trouver ne serait-ce qu’un aperçu des nouvelles particules dans les deux à trois prochaines années.

Le Dr Sam Harper avoue se sentir “un peu terrifié” alors que le LHC entame sa prochaine série d’expériences.

“Nous essayons désespérément de tout rassembler et nous travaillons très dur pour nous assurer de ne manquer aucune nouvelle physique possible. Parce que la pire chose au monde sera que la nouvelle physique soit là, et nous ne trouvons pas ce.”

Mais au-delà de la terreur de Sam, il y a une excitation intense à propos de ce que les prochaines années nous réservent.

“Ce qui anime tous les physiciens des particules, c’est que nous voulons découvrir l’inconnu et c’est pourquoi des choses comme la cinquième force et la matière noire sont si excitantes parce que nous n’avons aucune idée de ce que cela pourrait être ou si cela existe et nous voulons vraiment trouver cette sortie.”

Ce qui pourrait être la première fissure dans le modèle standard a été découverte par des chercheurs du Laboratoire Fermi, l’équivalent américain du LHC, au début du mois. Au cours des mois et des années à venir, les chercheurs du LHC chercheront à confirmer leur résultat et à trouver de nombreuses autres fissures dans la théorie actuelle jusqu’à ce qu’elle s’effondre pour faire place à une nouvelle théorie unifiée et plus complète du fonctionnement de l’Univers.

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