Le CERN continue de se réinventer pour développer une nouvelle physique: ce sont les deux stratégies qui lui permettront d’aller au-delà du boson de Higgs

Le grand collisionneur de hadrons (LHC) est la plus grande machine jamais construite par l’homme. Et c’est aussi l’un des plus complexes. On ne doit pas seulement la découverte du boson de Higgs à cet accélérateur de particules situé dans les installations du CERN, à la frontière franco-suisse; aussi de nombreuses autres découvertes qui n’ont pas eu autant d’importance dans les médias, mais qui aident également les scientifiques pour élaborer une nouvelle physique.

Le volume de données générées par les détecteurs, qui sont les machines chargées de lire et de collecter les informations générées lors des collisions des protons, est stupéfiant. Au cours d’une année de travail CMS, ATLAS, ALICE, LHCb, TOTEM, MoEDAL et LHCf, les sept détecteurs dont dispose le LHC, fournissent aux chercheurs plusieurs des dizaines de millions de gigaoctets d’informations qui doivent être soigneusement traitées et analysées pour extraire de nouvelles connaissances.

Au cours d’une année de travail, les détecteurs du LHC fournissent plusieurs dizaines de millions de gigaoctets d’informations aux chercheurs.

Cependant, le LHC n’est pas toujours allumé. Au cours des phases d’activité, les expériences que les scientifiques ont précédemment conçues dans l’espoir de confirmer leurs théories et de faire des découvertes sont menées, mais lorsque les expériences prévues ont déjà été réalisées, l’activité cesse. Le LHC s’arrête et les techniciens se préparent à apporter les améliorations nécessaires pour pouvoir réaliser de nouvelles expériences, de sorte que les phases d’arrêt et d’activité se succèdent successivement.

Une fois que nous avons atteint ce point, il est raisonnable pour nous de nous demander quel genre de modifications il faut introduire dans un accélérateur de particules pour qu’il nous permette d’aller plus loin dans la recherche d’une nouvelle physique. Les scientifiques du CERN ont mis au point deux stratégies différentes. L’un d’eux consiste à augmenter la luminosité de l’accélérateur, et l’autre nécessite de travailler avec un niveau d’énergie plus élevé. Bien plus haut. Mais les deux ont quelque chose en commun: ils nécessitent le développement de nouvelles technologies.

À la recherche du LHC à haute luminosité

Actuellement, le grand collisionneur de hadrons est en phase de décrochage. Il est précisément en cours de modification pour augmenter sa luminosité, un paramètre qui mesure combien de collisions de particules potentielles ils sont produits par unité de surface et de temps. La luminosité est mesurée en femtobarns inverses, dont chacun équivaut à 100 billions de collisions de protons. Bien sûr, il s’agit de milliards sur une longue échelle, donc un femtobarn inverse équivaut à 100 millions de millions de collisions (10¹⁴).

Le LHC à haute luminosité devrait être capable de produire 250 femtobarns inverses chaque année

Depuis le début des expériences dans l’accélérateur, en 2010, jusqu’à la fin de 2018, moment où son activité a cessé, 150 femtobarns inverses ont été produits à l’intérieur. Selon la planification actuelle des techniciens du CERN, les modifications nécessaires au LHC pour augmenter sa luminosité seront prêtes à partir de 2026, de sorte que l’accélérateur à haute luminosité devrait être en mesure de produire 250 femtobarns inversés chaque année jusqu’à atteindre 4 000 pendant toute la période d’activité.

Pour augmenter autant la luminosité de l’accélérateur, il faut concentrer les faisceaux de particules juste avant la collision. De cette façon, les protons seront plus proches les uns des autres, ce qui augmente la probabilité que deux d’entre eux se heurtent lorsqu’ils sont accélérés dans des directions opposées le long de la trajectoire courbe de l’accélérateur. Et, comme on peut le deviner, l’ampleur des modifications à apporter à l’installation pour concentrer les faisceaux de particules est énorme.

Les techniciens du CERN installent actuellement de nouveaux aimants supraconducteurs dans les détecteurs CMS et ATLAS constitués d’un composé niobium-étain qui n’a jamais été utilisé dans un accélérateur de particules. Ce composé supraconducteur augmentera l’intensité du champ magnétique à partir des 8 tesla d’aimants actuels. jusqu’à 12 teslas dans les nouveaux aimants supraconducteurs, et sera également utilisé dans les deux aimants dipôles utilisés pour plier le trajet des faisceaux.

Les physiciens espèrent que le LHC à haute luminosité leur permettra d’aller au-delà du modèle standard dans la recherche d’une nouvelle physique.

Cependant, ce n’est pas tout. Pour transporter le courant électrique requis par l’accélérateur et les nouveaux aimants, il est nécessaire d’utiliser de nouveaux câbles en borure de magnésium capables de transporter des courants électriques de jusqu’à 100 000 ampères et pour résister à des températures extrêmement élevées. Le Centre de recherche énergétique, environnementale et technologique (CIEMAT), l’Université d’Oviedo, l’Institut de physique de Cantabrie, l’Université autonome de Madrid et l’Institut galicien de physique des hautes énergies sont quelques-unes des institutions espagnoles qui participent au développement de nouvelles technologies qui nécessitent le développement du LHC à haute luminosité.

Tout ce que nous avons vu jusqu’à présent est très intéressant, mais ce qui est le plus intéressant, ce sont les connaissances que les physiciens espèrent acquérir en analysant les données que le LHC à haute luminosité nous fournira lorsque les expériences commenceront. Votre premier objectif est d’étudier à fond la production du boson de Higgs, un objectif qui sera viable car les scientifiques font confiance à l’accélérateur pour produire 15 millions de ces particules par an.

Mais ce n’est pas du tout. Plus intéressant encore, les physiciens espèrent que le LHC à haute luminosité leur permettra aller au-delà du modèle standard, qui est la théorie qui décrit grossièrement les caractéristiques des particules élémentaires et la nature des interactions qui se produisent entre elles. Cette nouvelle physique pourrait prouver ou réfuter l’existence de dimensions supplémentaires, la validité de la supersymétrie, ou si les quarks sont constitués de particules encore plus élémentaires. Cela pourrait même nous aider à comprendre la nature quantique de la gravité et à expliquer l’origine de l’énergie noire et de la matière.

Prochain arrêt: un nouvel accélérateur de 100 TeV

Le 19 juin 2020, la direction du CERN a approuvé à l’unanimité le projet de construction de un nouvel accélérateur de particules circulaire qui n’aura rien de moins qu’une circonférence de 100 km (le LHC actuel mesure 27 km). Son objectif sera d’aller encore plus loin dans l’élaboration d’une nouvelle physique et dans la connaissance de ce qui se trouve au-delà des frontières du modèle standard de ce que le LHC à haute luminosité mettra entre nos mains.

Le projet annoncé par les responsables du CERN est divisé en deux étapes. Le premier débutera, selon ses plans initiaux, en 2038, et nécessitera le creusement d’un tunnel circulaire d’une circonférence de 100 km très proche de l’emplacement du LHC actuel. À l’intérieur de ce tunnel, ils construiront un accélérateur électron-positon qui aura l’énergie nécessaire pour maximiser la production de bosons de Higgs au moment où la collision de ces particules se produit.

En plus de l’accélérateur lui-même, les scientifiques impliqués dans ce projet devront construire un détecteur qui parvient à rassembler toutes les informations dont ils ont besoin sur les particules qui seront générées à chaque collision. La complexité de cet instrument est aussi élevée, voire plus si possible, que celle de l’accélérateur de particules lui-même, ce qui permet de se faire une idée assez précise de la portée de ce projet.

Le LHC a joué un rôle clé dans la découverte du boson de Higgs, mais le niveau d’énergie avec lequel il fonctionne n’est pas suffisant pour étudier les propriétés de cette particule. Il a suffi de le découvrir, mais les scientifiques sont convaincus qu’il est nécessaire d’atteindre des niveaux d’énergie plus élevés si nous voulons aller de l’avant et aspirer à apprenez à mieux connaître ce boson. Et, en cours de route, accédez à une nouvelle physique.

La première étape du projet se terminerait au milieu de ce siècle, et une fois que cet accélérateur aurait atteint son objectif, il serait complètement démantelé pour construire à sa place un autre accélérateur circulaire capable de fonctionner à rien de moins que 100 TeV (téraélectronvolts). Ce niveau d’énergie est monstrueux; en fait, le LHC actuel fonctionne avec une énergie de 16 TeV, ce qui permet de se faire une idée de l’ambition de cette deuxième étape du projet, qui durera jusqu’à la fin de ce siècle.

Image de couverture | CERN (Anna Pantelia)
Images | Julian Williams | CERN
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