Eos a été montré autour du Grand collisionneur de hadrons (LHC) cette semaine et a appris ce que le CERN a encore à l'esprit avec l'appareil qui a engendré l'une des plus grandes découvertes scientifiques de tous les temps.
L'accélérateur de particules de 27 kilomètres de long avec lequel le boson de Brout-Englert-Higgs a été découvert en 2012, et que le Bruxellois François Englert a rendu incontournable pour le prix Nobel de physique cette année, est à l'arrêt pour maintenance depuis février 2013. Cela ne veut pas dire que c'est vraiment calme au CERN. Alors que les physiciens continuent d'analyser l'énorme quantité de données, les ingénieurs travaillent en coulisses sur une mise à niveau qui devrait rendre l'accélérateur de particules meilleur, plus fort et plus rapide. Lorsque l'accélérateur sera relancé en 2015, le CERN espère clarifier la matière noire, la supersymétrie et l'antimatière - une physique exotique, tout comme le boson de Higgs l'était il y a un siècle.
Train de protons
Dans le tunnel en forme d'anneau à 150 mètres sous la frontière franco-suisse près de Genève, deux faisceaux de protons se déplacent dans des directions opposées à une vitesse juste inférieure à celle de la lumière. L'énergie du faisceau est comparable à celle d'un train à grande vitesse roulant sur les voies à 150 kilomètres à l'heure.
Ce « train de protons » irait normalement tout droit, mais il est forcé sur une orbite circulaire dans le LHC par 1 624 électroaimants supraconducteurs en niobium-titane. Après une centaine de révolutions, les particules atteignent l'énergie souhaitée, après quoi elles sont prêtes à entrer en collision. Cela se produit en quatre points de l'accélérateur, environ toutes les 25 nanosecondes.
Des particules se forment à partir de chacune de ces collisions. Il peut s'agir de particules connues, mais aussi de nouvelles particules exotiques - comme le boson de Brout-Englert-Higgs découvert en juillet 2012 - qui peuvent nous aider à comprendre l'univers.
Circonstances extrêmes
Pour être supraconducteurs, les électroaimants sont refroidis à -271 degrés Celsius en utilisant un total de 96 tonnes d'hélium liquide, presque la température la plus froide de l'univers. Dans le même temps, une chaleur extrême est générée pendant une fraction de seconde lors de chaque collision de protons. Il va sans dire que le matériel et l'électronique doivent beaucoup endurer dans ces conditions extrêmes. Les techniciens effectuent donc une révision programmée de l'accélérateur de particules.
Des milliers de pièces sont testées et remplacées si nécessaire. Des électroaimants plus puissants sont en cours d'installation, permettant aux particules de se heurter les unes aux autres plus rapidement et avec une énergie plus élevée à l'avenir. Avant maintenance, chaque faisceau de protons avait une énergie de 4 TeV (téraélectron volts), bonne pour une énergie de collision de 8 TeV. Après la mise à niveau, ce sera 13 TeV. Grâce à cette énergie beaucoup plus élevée, les physiciens espèrent découvrir une nouvelle physique, peut-être même créer de la matière noire, mais ils ne savent pas exactement ce que ce sera, pas plus que vous et moi.
Cet objectif est en fait toujours le même que lors de l'ouverture du tunnel il y a cinq ans. L'accélérateur a été construit à l'origine pour générer l'énergie de collision de 14 TeV, mais après un incident en 2008 au cours duquel six tonnes d'hélium liquide ont explosé dans les tunnels, l'accélérateur s'est fermé longtemps avant de découvrir le boson de Higgs à mi-puissance. Lorsque l'accélérateur sera remis en marche en 2015, il devrait fonctionner au niveau qui était en fait déjà attendu en 2008.
Et maintenant ?
Que reste-t-il à découvrir maintenant que le boson BEH a déjà été découvert ? Walter Van Doninck, vice-président du Conseil du CERN :« Cette découverte est appelée à juste titre l'une des plus importantes de l'histoire des sciences, la dernière pièce du modèle standard. Mais ce modèle standard explique à peine quatre pour cent de la matière de l'univers. Le reste que nous appelons matière noire, nous savons qu'il est là, en partie parce qu'il a une influence visible sur d'autres particules, mais nous ne l'avons jamais observé. Réaliser cela est l'une des principales tâches que nous espérons accomplir avec l'accélérateur amélioré.» Mais il est également possible que la mise à niveau actuelle ne soit pas suffisante pour trouver cette matière noire. C'est pourquoi les ingénieurs réfléchissent déjà à un successeur encore plus puissant du LHC. "Cela pourrait être un accélérateur circulaire avec une circonférence beaucoup plus grande, peut-être même quatre-vingts kilomètres, mais aussi un accélérateur linéaire, car les particules perdent maintenant de l'énergie dans les courbes du LHC."
Contributions belges
La Belgique investit 25 millions d'euros par an dans le CERN. Le Fonds pour la recherche scientifique (FWO) subventionne des physiciens individuels et leurs projets. Inversement, l'argent et les connaissances du CERN reviennent en Belgique. Par exemple, il y a trente millions d'euros d'acier liégeois dans l'accélérateur. Parmi les 3 000 chercheurs travaillant pour l'expérience CMS, on compte également environ quatre-vingts Belges. Ils ne sont pas seulement responsables du traitement des données, mais apportent également des contributions techniques à l'accélérateur. «La chambre à traces au cœur de l'expérience CMS, responsable de la localisation 3D précise des particules, a été développée en Flandre, tout comme les composants du calorimètre permettant de déterminer l'énergie des particules», explique Pierre Van Mechelen (UA ), qui a participé à l'expérience CMS pendant des années. "Les chercheurs flamands contribuent également au développement de la puissante infrastructure informatique nécessaire pour analyser la quantité gigantesque de données."
Accélérateur de particules à Mol
Le CERN et le Centre d'études pour l'énergie nucléaire (SCK-CEN) construiront conjointement un nouvel accélérateur linéaire de particules à haute intensité à Mol. À cette fin, les instituts de recherche ont signé le 28 octobre à Genève un accord de coopération. Le développement aura lieu à Genève, mais l'accélérateur sera finalement utilisé à Mol pour le projet MYRRHA, un réacteur de recherche qui devrait contribuer à résoudre le problème des déchets nucléaires.
Dans MYRRHA, les physiciens veulent développer des techniques pour le traitement accéléré ou le recyclage des déchets nucléaires de haute activité, ou pour utiliser plus efficacement l'uranium disponible afin de générer moins de déchets. Le réacteur alimenté par l'accélérateur linéaire de particules sera également utilisé dans des expériences en biologie et dans des applications médicales, telles que la production de radio-isotopes qui détectent et combattent les cancers. Le démarrage de MYRRHA est prévu pour 2025.
