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Boson W, matière noire : ​​​​​​​les nouveaux défis du LHC, plus puissant accélérateur de particules au monde

Enfoui 100 mètres sous terre près de Genève, le monstre s’est réveillé. Le plus grand et plus puissant accélérateur de particules au monde, le Grand Collisionneur de hadrons (LHC) géré par le Cern, l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, a redémarré avec succès fin avril. Depuis trois ans, scientifiques et ingénieurs s’employaient à perfectionner ce géant technologique afin d’en augmenter sa puissance et sa précision de détection. Le LHC nouvelle version est désormais opérationnel, laissant espérer de nouvelles découvertes et même, envisagent certains, une nouvelle physique.

Le 22 avril, le  LHC  a repris progressivement son activité 

Cet anneau de 27 kilomètres de circonférence, formé de milliers d’aimants supraconducteurs, relève de l’exploit technoscientique. À l’intérieur de l’accélérateur, deux faisceaux de particules circulent en sens opposé, à des énergies très élevées et à une vitesse proche de celle de la lumière, avant d’entrer en collision l’un avec l’autre. Ce sont des protons (particules du noyau de l’atome) qui se heurtent frontalement à des vitesses colossales pour faire apparaître les composants élémentaires de notre monde. Avec pour objectif ultime de percer les secrets de la matière.

Depuis son redémarrage, le 22 avril dernier, le LHC a repris progressivement son activité : un petit nombre de protons a circulé en sens opposé le long de l’immense tunnel circulaire à un taux de collision faible mais qui va monter en puissance. « Les collisions de haute intensité et de haute énergie se produiront dans quelques mois », précise Rhodri Jones, chef de département faisceaux du Cern. Au fur et à mesure que la machine se remet en route, les équipes vont augmenter l’intensité des faisceaux de protons pour réaliser des collisions d’une énergie record.

12 000 scientifiques associés aux travaux du LHC

« Les travaux ont également permis d’améliorer la précision des quatre détecteurs du LHC », précise Roberto Salerno, chercheur au CNRS, associé au Cern, professeur à l’École polytechnique. « Cela nous permettra d’atteindre davantage de collisions de particules et ainsi de collecter une masse de données bien plus grande. » Les quelque 12 000 scientifiques associés aux travaux du LHC pourraient alors «étudier le boson de Higgs dans les moindres détails, se réjouit le physicien . Il nous reste à définir avec précision toutes ses propriétés et ses liens avec les autres particules, mais également à découvrir comment il acquiert sa propre masse ».

Icon QuoteL’une des plus grandes lacunes du modèle standard est de ne pouvoir expliquer la matière noire, une masse invisible et théorique constituant l’Univers, ainsi que l’énergie noire qu’elle produit, censée expliquer l’accélération de l’expansion de l’Univers. Roberto Salerno

Lancées en 2008, les expériences du collisionneur ont permis, en 2012, d’établir la preuve de l’existence du boson de Higgs. Cette particule unique en son genre, surnommée « particule de Dieu », confère leur masse à toutes les autres particules et constitue ainsi l’une des clefs de voûte du modèle standard de la physique des particules. Une théorie, formulée dans les années 1960, qui permet d’expliquer tous les phénomènes observables à l’échelle de l’infiniment petit, conformément à la mécanique quantique. Elle s’applique à toutes les particules connues, ainsi qu’aux trois interactions agissant à cette échelle : électromagnétique, forte et faible. Mais quid de la gravitation, qui, elle, relève de l’infiniment grand, donc de la relativité générale d’Einstein ?

D’ici au prochain arrêt du LHC, programmé en 2026-2028, les physiciens espèrent avancer dans la recherche de ce phénomène gravitationnel et tester le modèle standard, récemment ébranlé par plusieurs expériences. Ainsi du boson W, découvert en 1983, dont la masse s’est avérée, lors d’une toute récente expérience, beaucoup plus lourde que prévu jusqu’ici par la théorie. « Toutes ces anomalies pourraient s’expliquer par une force nouvelle » qui viendrait s’ajouter aux quatre forces fondamentales régissant l’Univers (forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle), explique le physicien Harry Cliff, de l’université de Cambridge.

Revoir la théorie d’Einstein

Mais l’un des grands défis pour le LHC serait de mettre au jour une particule hypothétique constituant une forme invisible de matière appelée « matière noire », insensible à la force électromagnétique. Si on ne parvenait pas à la détecter, il faudrait alors revoir la théorie d’Einstein. « L’une des plus grandes lacunes du modèle standard est de ne pouvoir expliquer la matière noire, une masse invisible et théorique constituant l’Univers, ainsi que l’énergie noire qu’elle produit, censée expliquer l’accélération de l’expansion de l’Univers », nous explique Roberto Salerno. Composant plus d’un quart de l’Univers, la matière noire reste l’un de plus grands mystères de la physique. Selon Rende Steerenberg, responsable des opérations au Cern, les travaux réalisés sur le LHC  devraient « considérablement augmenter la probabilité de nouvelles découvertes dans ce domaine ».

Pour y parvenir, les chercheurs peuvent essayer de produire de la matière noire en réalisant des collisions de protons contre protons. « Mais comme, par définition, cette matière noire n’est pas observable, il nous faudrait la coupler avec d’autres particules afin de déduire son existence par les déviations sur les résultats prévus qu’elle engendre », explique Roberto Salerno . Une autre méthode consisterait à la découvrir grâce à la désintégration de particules connues, comme le boson de Higgs. Alors, un pont pourrait enfin relier la physique de l’infiniment petit à celle de l’infiniment grand.

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