Des énergies de collision allant jusqu'à 13 TeV offrent aux physiciens genevois la perspective de détecter une multitude de nouvelles particules. Leur découverte pourrait faire la lumière sur la matière noire.
Après la découverte du boson de Higgs à l'été 2012, le Large Hadron Collider, l'accélérateur de particules le plus puissant du monde, situé dans un tunnel annulaire de 27 kilomètres de long sous Genève, est entré en longue hibernation. De nombreuses réparations et améliorations ont été apportées à l'accélérateur ces dernières années, par exemple aux câbles supraconducteurs qui alimentent les aimants et qui doivent être refroidis à 1,9 degrés au-dessus du zéro absolu. En conséquence, il devrait maintenant être possible de faire passer un courant de 11 000 ampères dans les câbles.
La mise à niveau de l'accélérateur et des détecteurs – les deux « expériences » géantes ATLAS et CMS – n'est pas aisée :alors que le boson de Higgs a été découvert dans des collisions à 8 TeV, la « fenêtre d'énergie » s'est désormais considérablement élargie, jusqu'à 13 TeV. (Une belle comparaison :1 TeV correspond à peu près à l'énergie d'un moustique volant. Cela ne semble pas beaucoup, mais le LHC concentre cette énergie dans un espace un million de fois plus petit que le moustique.)
Les énergies de collision avec lesquelles le LHC entre en collision avec des protons extrêmement accélérés (en fait des protons avec des antiprotons, mais essentiellement le même type de particules) sont comparables aux énergies qui se sont produites quelques fractions de secondes après le big bang – même alors, toute l'énergie était concentrée dans un très petit espace. Si vous augmentez l'énergie de collision d'un accélérateur, vous reculez simultanément d'un pas dans le temps. Par exemple, le saut de 8 à 13 TeV permet aux physiciens de se rapprocher d'une décimale près du big bang - à peu près 0,00000000000001 seconde. Bien sûr, tout physicien espère que cela fournira de nouvelles informations sur les interactions fondamentales de la gravité au niveau quantique. Comme le récent film The Theory of Everything , sur la vie de Stephen Hawking, magnifiquement mis en scène, le rêve est toujours vivant aujourd'hui d'unir et de décrire toutes les forces de la nature dans la même formule.
Mais développer une théorie vaste et complète est plutôt le travail des théoriciens – et vous ne rencontrerez pas facilement au CERN, le centre de recherche européen pour les physiciens des particules qui gère le LHC. Les milliers d'expérimentateurs de Genève, en revanche, travaillent pas à pas. Pour eux, une énergie de collision plus élevée signifie en premier lieu qu'ils peuvent créer des particules exotiques dans les collisions proton-proton qui étaient auparavant inaccessibles. L'un de ces exotiques est le gluino, une particule encore hypothétique pour le moment (les particules élémentaires ont presque toujours une longue vie sur le papier avant d'être découvertes). Les physiciens appellent le gluino le partenaire supersymétrique du gluon - la particule porteuse de force qui régule l'interaction et maintient ainsi les quarks ensemble dans un proton ou un neutron.
La supersymétrie est considérée comme la théorie la plus prometteuse à l'heure actuelle pour étendre le modèle standard, qui est complet depuis la détection du boson de Higgs. Dans cette théorie, chaque particule élémentaire a un superpartenaire - également appelé Susy - avec un spin différent. Par exemple, tous les fermions (particules telles que les électrons et les protons avec un spin demi-entier) ont un boson (particules telles que les photons et les gluons avec un spin entier) comme Susy. Donc pour le gluon c'est le gluino. Si les physiciens réussissaient leur plan, un Susy serait "pris" dans un accélérateur de particules pour la première fois.
Les physiciens ne détecteront cependant pas directement le gluino. Pour prouver son existence, ils devront reconstituer sa désintégration en une série d'autres particules plus légères. Le détour nécessaire en vaut la peine, car si les théoriciens ont tout calculé correctement, le neutralino, le plus léger de tous les Susys, est également produit lors de ce processus de décroissance. Cela ne peut donc pas se désintégrer davantage en particules encore plus légères.
Le neutralino est considéré comme une particule candidate à la matière noire, la matière mystérieuse qui maintient les galaxies ensemble mais qu'aucun télescope n'a encore été capable de détecter. Bien plus que la supersymétrie – qui réside principalement dans le terrain de jeu des théories abstraites – la matière noire fait appel à l'imaginaire. Un morceau de matière mystérieuse qui n'émet aucune forme de rayonnement (que nous connaissons) et qui n'est trahi que par le fait qu'il y a tout simplement trop peu de matière normale flottant dans l'univers, a au moins une dimension macroscopique à laquelle nous peut imaginer quelque chose.
Si les chercheurs du CERN découvrent le gluino et le neutralino dans les mois à venir, ils nous fourniront les premières informations sur la véritable nature de la matière noire. Il se pourrait bien qu'il existe plusieurs particules de matière noire, peut-être autant que des particules de matière ordinaire.
Selon Beate Heinemann, physicienne associée à l'expérience ATLAS, le gluino (et le neutralino) seront retrouvés avant la fin de l'été. 'Mais alors tout doit vraiment bien se passer.'
Heinemann trouve cette recherche plus passionnante que la découverte du boson de Higgs il y a près de trois ans. "Nous sommes sur le point d'entrer dans un tout nouveau monde", a-t-elle déclaré lors de la réunion annuelle de l'Association américaine pour l'avancement des sciences (AAAS), qui s'est tenue en février, où des chercheurs du CERN ont commenté le redémarrage imminent du LHC. .
« Il y a cent ans, nous avons découvert l'antimatière. Il est maintenant temps de trouver la matière supersymétrique", déclare Heinemann.
