Physique des particules : l’épopée continue!

Près de 10 ans après la découverte du boson de Higgs, les physiciens sont arrivés à un tournant : ils doivent se doter de collisionneurs de plus en plus puissants pour percer les secrets de l’Univers.

Autant le dire franchement : la physique des particules est dans une impasse. Ou plutôt à la croisée des chemins, corrige Brigitte Vachon, physicienne à l’Université McGill. « Il y a une multitude de pistes à explorer, ce qui est très stimulant ! Mais c’est vrai qu’il y a urgence à aller voir au-delà de ce qu’on a regardé jusqu’à maintenant », convient-elle.

Si la discipline doit explorer de nouveaux horizons, c’est qu’elle se heurte depuis quelques années, voire des décennies, à plusieurs problèmes de taille. Entre autres hics ? L’incapacité à cerner le côté « sombre » de l’Univers, soit 95 % de ses constituants (la matière noire et l’énergie noire) ; à inclure la gravitation dans les équations de l’infiniment petit ; à élucider la disparition de l’antimatière, qui a été créée à l’origine dans les mêmes proportions que la matière normale ; à saisir la nature des neutrinos, ces particules élusives.

Sur toutes ces questions fondamentales, la seule théorie valide pour décrire l’infiniment petit, nommée « modèle standard », est complètement muette (voir l’infographie au bas de l’article). Ce n’est pas faute d’essayer de la faire parler : depuis une trentaine d’années, grâce aux accélérateurs de particules, les scientifiques tentent de lui trouver des failles, d’y repérer des détails cachés. En vain ! Tout ce qu’ils observent expérimentalement colle parfaitement à la théorie. Pourtant, il y a forcément autre chose à découvrir, une physique « au-delà du modèle standard » qui expliquerait l’inexplicable.

Les cerveaux sont en ébullition : d’intenses discussions ont débuté entre les physiciens de tous les continents pour dresser la feuille de route des prochaines décennies. Quelles sont les questions prioritaires ? Comment pourra-t-on y répondre ? En juin 2020, après deux ans de réflexion, le conseil du CERN (l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire) a dévoilé la Stratégie européenne pour la physique des particules, qui propose un plan d’exploration de la physique « à la frontière des hautes énergies ». Aux États-Unis, un remue-méninges du même type est en cours et devrait aboutir à un rapport en 2022. « Le Canada aussi a entamé sa planification », précise Brigitte Vachon, qui codirige le comité chargé de l’exercice et qui a aussi représenté le pays lors de la réflexion européenne. « Chaque fois, des membres de la communauté internationale sont invités, car les projets ont une portée mondiale », dit-elle.

Pour débusquer de nouvelles particules et pousser ces équations trop sages dans leurs derniers retranchements, la communauté voit grand. Elle nourrit l’espoir de bâtir au moins un accélérateur de particules capable d’atteindre des énergies inimaginables. Aux alentours de 2040 ou 2050, cette machine prendrait le relais du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, l’accélérateur de particules le plus puissant actuellement. L’énergie que les particules peuvent atteindre dans cet anneau enfoui à 100 m sous la frontière franco-suisse est limitée par la taille de l’installation (27 km de circonférence tout de même). Quatre projets d’envergure supérieure sont à l’étude : deux accélérateurs circulaires et deux linéaires. Tous ne verront pas le jour. « Compte tenu du coût de ces machines, la communauté internationale doit se mettre d’accord », indique Nathalie Besson, physicienne à l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers à Saclay, en France.

Le projet le plus avancé est l’International Linear Collider (ILC), proposé par un consortium international en 2012. Ce tunnel linéaire de 20 km de long doit être construit au Japon (au coût de sept milliards de dollars américains), mais le pays ne cesse de repousser la décision, laissant la communauté scientifique dans le flou.

L’équipe du CERN, qui réunit plus de 12 000 collaborateurs de 70 pays, planche de son côté sur le Future Circular Collider (FCC), un anneau de 80 à 100 km de circonférence qui permettrait d’étudier des collisions d’abord d’électrons-positons, puis de protons quand la technologie le permettra (voir l’encadré p. 38). Une autre proposition, le Compact Linear Collider, fonctionnant sur le même principe que l’ILC, est aussi dans les tuyaux au CERN, alors que la Chine envisage la construction d’un concurrent au FCC.

La conception puis la réalisation d’un ou de plusieurs de ces projets occuperont sans peine toute une génération de physiciens, à l’instar du LHC, dont la construction a pris 30 ans. Mais leur faisabilité, en termes d’ingénierie et de coûts, est encore loin d’être établie.

Le LHC est l’accélérateur de particules le plus grand et le plus puissant du monde à ce jour. C’est un anneau de 27 km de circonférence formé d’aimants supraconducteurs et de structures accélératrices. Image: CERN / Brice Maximilien

Niveau supérieur

En attendant le ou les collisionneurs géants, le LHC sera poussé aux limites de ses capacités. Il n’a cessé de monter en grade depuis ses débuts, en 2009, et il n’a pas encore montré tout ce qu’il a dans le ventre.

Pour comprendre, il faut savoir comment fonctionne la bête. Selon le modèle standard, la matière est constituée d’un jeu de 12 particules élémentaires qui interagissent par l’entremise de forces. Mais très peu d’entre elles sont stables. « Hormis l’électron et le photon, toutes se désintègrent aussitôt qu’elles sont créées. Donc, pour les observer, on n’a d’autre choix que d’en créer de nouvelles en chauffant le vide de façon très locale et en produisant une densité d’énergie énorme. Et pour y parvenir, on fait entrer des particules en collision », résume Nathalie Besson, qui a travaillé sur le projet ATLAS du LHC.

Dans ce collisionneur, on lance ainsi l’un contre l’autre des faisceaux de protons plus fins qu’un cheveu à une vitesse proche de celle de la lumière. En se percutant, ceux-ci libèrent une énergie phénoménale. Rappelez-vous la fameuse formule d’Albert Einstein E=mc². Elle signifie, en gros, que l’énergie peut se transformer en masse et inversement. « La collision de protons ne fait pas de débris de protons, elle donne naissance à de nouvelles particules comme un boson de Higgs. Ces particules instables vont se désintégrer en particules plus stables qu’on va repérer dans les détecteurs. Ensuite, on entreprend un travail d’enquête », poursuit la physicienne. L’analyse de données consiste à remonter le fil des évènements pour déduire quel type de particule mère a bien pu se désintégrer en tel ou tel « cocktail » de particules filles.

C’est avec cette méthode que les scientifiques ont confirmé, l’une après l’autre, toutes les prédictions du modèle standard. L’existence des bosons W et Z a été attestée dans les années 1980 ; celle du quark top en 1995 ; celle du boson de Higgs en 2012 au LHC. Chaque fois, les particules se comportent exactement comme ce que les équations attendent d’elles. « Le modèle standard, pour moi, c’est la plus belle construction humaine. Ce sont juste des mathématiques qui expliquent extraordinairement bien ce qu’on voit, avec une précision incroyable, souligne Nathalie Besson. Mais comme il n’explique pas tout, c’est enquiquinant ! »

D’où l’acharnement des physiciens à essayer de prendre leur modèle chéri en défaut en exploitant leurs instruments à fond. D’ici la fin de son règne, en 2038, le LHC sera le théâtre de toujours plus de collisions avec toujours plus d’énergie. Entre chaque prise de données, cet accélérateur subit une cure de jouvence : certains de ses 9 500 aimants sont améliorés ; les détecteurs sont fignolés ; la cavité accélératrice est rénovée. Le deuxième grand arrêt technique est en cours et la troisième période d’exploitation devrait démarrer en mars 2022 pour atteindre l’énergie maximale permise, soit 14 téra­électronvolts (TeV). Le gain par rapport à la phase précédente, qui « tournait » à 13 TeV, ne sera toutefois pas énorme.

C’est en 2027 que les chercheurs atteindront vraiment un niveau supérieur, en multipliant par 5 à 10 le nombre de collisions dans l’accélérateur, pour la phase dite « LHC à haute luminosité ». « Au LHC, on ne propulse pas un faisceau de protons continu, mais plutôt des paquets de protons. Il y a 150 milliards de protons par paquet et 2 800 paquets par faisceau qui se suivent à la queue leu leu. Cela a beau être dense, les protons sont tellement petits qu’il n’y a que de 40 à 60 collisions par croisement de paquets », mentionne Nathalie Besson. Il se produit tout de même quelque 600 millions de collisions par seconde. Mais augmenter ainsi le nombre de chocs, ce qu’on appelle la « luminosité », permettra de multiplier la quantité d’évènements observés.

Or, les réponses aux grandes questions actuelles pourraient se tapir dans les particules plus marginales, créées à de très rares occasions lors des collisions. « Il est possible qu’on soit passés à côté d’un phénomène rare. En accroissant la luminosité, on aura plus de données et on pourra aussi faire des mesures beaucoup plus précises pour caractériser par exemple les interactions entre le boson de Higgs et les autres particules élémentaires », détaille Brigitte Vachon, qui travaille en vue de cette phase à l’amélioration du détecteur ATLAS, l’un des quatre détecteurs du LHC. En cherchant ainsi la petite bête, les physiciens gardent espoir de trouver une petite déviation par rapport aux prévisions théoriques.

« Il y a encore des chances que le LHC parvienne à découvrir une “nouvelle physique”. Mais quand bien même, il y aura toujours des questions non résolues », juge Harry Cliff, physicien à l’Université de Cambridge, au Royaume-Uni, et membre de l’expérience du LHC qui s’intéresse à l’antimatière. Comme la plupart de ses collègues, il parie sur le fait que le vernis du modèle standard ne « craquera » vraiment que si on le teste à des énergies bien plus élevées que celles permises par le LHC. Car plus on tape fort, plus on a de chances de voir des détails intéressants. Le candidat du futur devra offrir des énergies dépassant les 100 TeV − 10 fois plus hautes qu’au LHC. De quoi mettre la main sur des particules très massives, comme des particules de matière noire peut-être ?

Le LHC subit en ce moment une cure de jouvence. Ici, certaines pièces du détecteur géant CMS, qui a permis avec son homologue ATLAS de découvrir le boson de Higgs, sont remplacées en vue de la reprise des activités en 2022. Image: CERN / Brice Maximilien

Le mystérieux boson de Higgs

En attendant leur nouveau « joujou », les physiciens ont tout de même quelques pistes à explorer, la principale étant celle du fameux boson de Higgs. Il occupe une place à part dans le modèle standard pour une multitude de raisons et la Stratégie européenne pour la physique des particules l’a désigné comme une priorité de recherche absolue. « Avec les neutrinos, c’est la particule la plus mystérieuse que l’on connaisse. Quand on regarde le modèle standard, on s’aperçoit que tous les problèmes surgissent à cause de ce boson », résumait Fabiola Gianotti, directrice générale du CERN, à un congrès réunissant des journalistes scientifiques en 2019.

Les bosons de Higgs forment un « champ » qui baigne tout l’Univers et qui donne leur masse aux autres particules. Pour le décrire, on utilise souvent l’analogie d’une étendue de mélasse qui « freine » davantage les grosses particules comme les bosons W et Z, leur conférant une masse élevée, et qui interagit peu avec celles qui ont une masse faible. « Le boson de Higgs pourrait être une passerelle vers le secteur sombre de l’Univers ; il pourrait interagir avec les particules de matière noire », postule Harry Cliff.

Lorsque les protons entrent en collision, de nouvelles particules se créent et se désintègrent aussitôt. Les chercheurs reconstruisent le scénario des désintégrations pour savoir ce qui a été créé. Image: Adapté du CERN, 2012 CERN atlas collaboration

Autant dire que les physiciens le scrutent de près. « On doit maintenant comprendre, par exemple, l’origine de la masse du boson de Higgs et caractériser les interactions entre lui et toute la matière normale », signale Brigitte Vachon.

Or, dans le LHC actuel, on ne crée qu’un seul boson de Higgs par milliard de collisions. Ce qui est peu… Cette rareté justifie en soi la construction des futures machines, qualifiées par le CERN d’« usines à Higgs ». Mais les collisionneurs ne sont pas le seul sésame vers la nouvelle physique. D’autres projets excitants sont porteurs d’espoir, comme les détecteurs directs de matière noire ou ceux voués aux neutrinos. « La cosmologie est aussi une piste intéressante pour faire des découvertes en physique des particules, avance Nathalie Besson, qui s’est détournée il y a peu du domaine subatomique pour travailler sur les ondes gravitationnelles. C’est en unissant toutes ces disciplines qu’on va finir par trouver le futur. » Plusieurs chemins mènent assurément à « l’au-delà ».

Images: Adapté du CERN, 2012 CERN atlas collaboration