Le lancement du Large Hadron Collider (LHC) le 10 septembre marque le début d'une nouvelle ère dans la physique du tout petit. Les physiciens des particules explorent le champ énergétique inexploré des téraélectrons-volts pour trouver des réponses à des questions fondamentales. Le célèbre "modèle standard" fait face à son test décisif. Le lauréat néerlandais du prix Nobel Martinus Veltman est l'un de ces esprits brillants qui ont construit la théorie la plus réussie en physique.
Cet article est paru dans Eos science fin 2008.
Le mercredi 10 septembre était la journée du LHC. On estime qu'un milliard de téléspectateurs dans le monde ont vu les images de physiciens s'acclamer et s'embrasser, entassés dans une salle de contrôle du Laboratoire européen de physique des particules CERN près de Genève. La physique, mère de toutes les sciences, n'a jamais été aussi bien cotée. Le Large Hadron Collider est l'accélérateur de particules le plus puissant au monde et l'expérience scientifique la plus coûteuse jamais réalisée. Heureusement, le départ officiel s'est bien passé. Mais la nervosité des physiciens et ingénieurs du CERN était justifiée. Bien sûr ils n'avaient pas peur d'un trou noir, mais d'autant plus d'un défaut terrestre. À peine 36 heures après le décollage réussi, un transformateur prend feu et le LHC est de nouveau arrêté. Et le vendredi 19 septembre, un circuit électrique entre deux aimants supraconducteurs a fondu. Parce qu'ils doivent d'abord être chauffés avant d'être réparés, puis refroidis juste au-dessus du zéro absolu, le LHC sera hors service jusqu'au printemps 2009.
Martinus Veltman :« Le LHC n'est pas une machine que l'on 'allume' du jour au lendemain. Il y a trois mois, ils ont commencé à refroidir les aimants supraconducteurs du tunnel à 271 degrés sous zéro. Par la suite, un faisceau lent de protons de faible énergie a été systématiquement envoyé à travers les différents segments de l'anneau tunnel. Un processus d'étalonnage étape par étape, pour ainsi dire.'
Avec son compatriote et ancien étudiant Gerard 't Hooft, Veltman a remporté le prix Nobel de physique en 1999 pour la renormalisation de la théorie électrofaible. Dans un langage plus compréhensible :les deux Néerlandais ont découvert grâce à une analyse compliquée les exigences qu'une théorie doit remplir pour être qualifiée de théorie réaliste. C'est sur cette base qu'est né le Modèle Standard, une théorie des particules élémentaires et un puissant outil de calcul des propriétés du monde subatomique. Ce modèle standard peut encore être développé grâce au dernier et plus puissant accélérateur de particules LHC.
« Bien sûr, c'est à cause de toutes ces bêtises sur les trous noirs et l'antimatière. Ce ne sont pas seulement les médias populaires, qui ont fait exploser ces histoires, qui sont dans leur esprit. Nombre de physiciens ont délibérément choisi de divertir l'homme de la rue avec la physique du spectacle. Pourquoi le big bang devait-il être inclus ? Je sais exactement où ce non-sens a commencé. Dans les années 1980, au Fermilab de Chicago (l'homologue américain du CERN, ndlr) la direction visait une collaboration de la physique des particules avec l'astrophysique, une tentative infructueuse si vous me demandez. Soudain, des concepts de la cosmologie tels que «trou noir» et «big bang» ont trouvé une place dans notre domaine. Et nous en récoltons maintenant les bénéfices. Je lis partout que le LHC « mime les conditions des premières secondes après le big bang », ce qui n'est pas du tout le cas. Ensuite, bien sûr, vous obtenez ces histoires de fin du monde. Je pense que c'est fantastique d'avoir un large intérêt pour notre domaine, mais nous ne devrions pas y parvenir en racontant des mythes aux gens."
« En tant que physicien des particules, je veux savoir quelles sont les particules élémentaires qui composent toute la matière et l'énergie de l'univers, combien il y en a et surtout quelles sont leurs propriétés. C'est ça. Cette curiosité n'est pas nouvelle, elle fonde notre métier et nous a fourni le modèle standard. Le concept du LHC est tout aussi obsolète :la machine est tout simplement la dernière d'une longue lignée d'accélérateurs de particules de plus en plus puissants. Imaginez :l'anneau de tunnel du LHC a un diamètre de 27 kilomètres, le premier accélérateur ou « cyclotron » des années 1930 n'avait que la taille d'un disque compact. Pourtant, ils fonctionnent plus ou moins selon le même principe."
"Laissez-moi d'abord dissiper un malentendu. Le LHC n'a pas été construit spécifiquement pour la découverte du boson de Higgs. C'est juste un accélérateur de particules très puissant qui permet de provoquer des collisions entre protons à des énergies de l'ordre de la dizaine de téraélectron volts (TeV). Une énergie plus élevée lors de la collision signifie que des particules plus lourdes peuvent se former. Avec le précédent accélérateur de protons du CERN (l'accélérateur SPS), nous avons pu détecter les bosons Zen W, les particules qui transmettent la force nucléaire faible. Pour trouver ces particules massives, le modèle standard a prédit une énergie de collision de plus de 600 fois la masse du proton. Et nous ne l'avons compris qu'au début des années 1980, lorsque nous avons pour la première fois heurté deux faisceaux d'électrons de front dans l'accélérateur SPS, au lieu de diriger un faisceau de particules vers une cible fixe.
"Personne ne sait ce qui attend d'être découvert en plus de Higgs"
En raison de la nouvelle configuration de l'accélérateur, deux fois plus d'énergie est soudainement devenue disponible et nous avons trouvé les particules Zen W. Mais au Fermilab, avec un accélérateur similaire, le Tevatron, une autre particule a été trouvée, le quark top, qui correspondait également à la théorie mais n'était pas mentionnée dans la conception de la machine. Le même livre de jeu est maintenant utilisé à nouveau, juste à une échelle d'énergie beaucoup plus élevée. L'accélérateur s'appelle désormais LHC, et la particule prédite théoriquement encore à découvrir est le boson de Higgs. Personne ne sait ce qui attend d'être découvert à l'échelle du téra en plus de Higgs. Nous allons donc voir ce qui sort. Il est important ici que nous puissions distinguer les particules élémentaires des non-élémentaires. Sont-ils un État lié ou sont-ils autonomes ? »
« Tant que des questions restent sans réponse, une théorie n'est pas complète. Même si le tableau est complètement rempli avec les éléments constitutifs les plus élémentaires de la matière et des forces de la nature, nous ne savons toujours pas pourquoi il existe, par exemple, trois générations de quarks et de leptons (les particules de matière). Pourquoi seulement trois ? C'est comme la table de Mendeleïev :il y a 100 ans, personne ne savait pourquoi il n'y avait pas beaucoup plus de 90 éléments naturels. Jusqu'à ce que la physique nucléaire nous enseigne que les atomes sont des états liés qui deviennent instables à mesure qu'il y a de protons et de neutrons dans le noyau. Un autre mystère est la masse des quarks et des leptons. Pourquoi sont-ils si différents les uns des autres ? Ces masses jouent le rôle de "paramètres libres" dans le Modèle Standard :elles peuvent avoir n'importe quelle valeur. Bref, on n'a aucune idée d'où ça vient."
« Il est possible que le LHC ne fasse qu'ajouter à la confusion en nous présentant des particules de matière d'une mystérieuse quatrième génération. Avant la découverte du tau-lepton (cette particule est une version 1400 fois plus lourde de l'électron) dans les années 1970, on ne connaissait que deux générations. La théorie et les expériences ne le montrent pas, mais nous ne pouvons pas exclure une éventuelle quatrième génération.'
« Si le boson de Higgs est découvert, Stockholm sonnera certainement une cloche. Et il ne faudra pas longtemps avant qu'ils obtiennent ce prix Nobel. Mais il n'est pas vrai qu'un feu vert s'allume dans les détecteurs de particules du LHC lorsque le boson de Higgs est repéré. La particule diffère des autres particules du modèle standard en ce qu'elle possède certaines propriétés, telles qu'une masse, un spin et une charge, qui forment la carte d'identité d'une particule. Toutes ces propriétés doivent être vérifiées et revérifiées une par une. Nous pourrions trouver différents types de particules de Higgs. Qui sait? En tout cas, je considère le LHC assez puissant pour lever un coin du voile sur le mystère du Higgs. Mais pour le débloquer complètement, nous avons en fait besoin d'une machine encore plus puissante. Un accélérateur de type LEP (l'ancien accélérateur du CERN, ndlr) qui permet aux électrons d'entrer en collision avec des positrons, mais à des énergies beaucoup plus élevées. Après tout, dans le LHC, les protons, c'est-à-dire les « sacs » contenant les quarks, entrent en collision les uns avec les autres, créant une énorme quantité de « déchets » - sous la forme de toutes les combinaisons de quarks possibles. En tant que "microscope", le LHC est donc un peu trop trouble pour tout savoir sur le boson de Higgs. Ce n'est pas le cas des collisions entre électrons. Dans l'accélérateur LEP, il n'y a eu que dix collisions par jour, dans le LHC, il y en aura un milliard par seconde. Et seuls quelques-uns d'entre eux peuvent être sélectionnés à la fois. Peut-être qu'un jour ce puissant accélérateur d'électrons arrivera. Les plans de l'ILC, le collisionneur linéaire international et le CLIC, le collisionneur linéaire compact sont déjà sur la table. Les deux accélérateurs pourraient fournir des réponses que même le LHC ne peut pas nous donner. »
« Dans tous les cas, la physique des particules est alors confrontée à un sérieux problème. Mais cela ne signifie pas que nous devrions rejeter le modèle standard dans son intégralité. Il a juste besoin d'être amélioré et développé. Avec la loi de la gravitation de Newton, nous parvenons toujours à calculer avec précision les orbites des planètes, même si Einstein a montré il y a un siècle que la théorie de Newton était loin d'être correcte ? Incidemment, cette révision n'a conduit qu'à de minuscules corrections des orbites planétaires. C'est aussi le cas du modèle standard, il s'affine de plus en plus. Mais tout effacer et repartir à zéro :c'est hors de question. Il y a eu trop de tests positifs du modèle standard dans divers accélérateurs de particules pour cela."
'Nous ne pouvons en aucun cas tester la théorie des cordes. Que devrions-nous en faire alors ?"
« La perception est un concept double, certainement en physique des particules. Qui a déjà vu un électron ? Sans parler d'un électron « libre » individuel ? Pourtant, la plupart des gens pensent que les électrons existent vraiment. C'est parce que nous «supposons» l'existence d'électrons à partir d'un certain nombre d'observations indirectes. Et il en est de même pour les quarks. Les observations en physique des particules sont toujours indirectes. De plus, il est impossible que nous puissions jamais détecter une particule de quark « libre » individuelle, car les quarks n'apparaissent qu'en compagnie les uns des autres, en paquets. Cela est dû à la propriété spéciale de la force nucléaire forte, qui, curieusement, ne diminue pas à de plus grandes distances. C'est comme si deux aimants s'attiraient à des kilomètres de distance aussi fortement que lorsque vous les maintenez ensemble. J'admets qu'avant je ne croyais pas aux quarks moi-même, mais par la suite, les preuves sont devenues si accablantes que je n'ai pas eu le choix."
"Si vous voulez vraiment parler de compréhension, nous avons claqué la porte de la physique derrière nous, et nous avons abouti à la philosophie. Ensuite, vous devez vous demander quand vous pensez vraiment avoir compris quelque chose."
"Imaginez un électron. Je suis sûr que vous ne voyez pas la même chose que moi. Vous voyez probablement une bille dure, mais pas moi. C'est parce que ma façon de penser a été fortement influencée par les théories que j'ai intériorisées. Il y a cinquante ans, quand j'ai découvert la mécanique quantique, j'avais aussi votre vision d'une particule. Mais cette image a été systématiquement modélisée d'après la mécanique quantique, même si cette théorie n'indique pas exactement à quoi ressemblerait une particule. Pour moi, les particules ne décrivent jamais d'orbites précises et bien définies dans l'espace, et je ne pense pas à une boule bien définie, mais plutôt à un point vague."
« Mais en pratique, peu d'attention est accordée à ces considérations, car elles ne vous font aucun bien. Lorsque les physiciens des particules disent qu'ils comprennent quelque chose, cela signifie qu'ils peuvent calculer ses propriétés, comme la probabilité qu'une particule se trouve dans une certaine région de l'espace. »
'Oui c'est le cas. Personne n'y échappe. Si je ne peux pas dormir la nuit, je m'inquiète parfois. Mais sachez que ce genre de philosophie – aussi agréable qu'il soit d'en parler – ne vous fait que rarement, voire jamais, avancer dans la science. J'ai dans mon armoire des livres de pointage remplis de réflexions philosophiques sur la mécanique quantique. Autant le jeter, je ne perds rien avec. En physique des particules, j'ai appris qu'on découvre de nouvelles choses en écrivant des équations mathématiques et en faisant beaucoup d'expériences. Cette forme de science est très solide. Vous pouvez mettre les résultats dans un livre et la personne suivante peut continuer. Vous n'avez jamais cela avec la philosophie. Toi et moi pourrions nous asseoir et discuter toute la journée, mais à la fin, nous n'arrivions nulle part. »
"En effet, il n'y a encore aucune preuve que la théorie des cordes ait un sens. En d'autres termes, cela n'a – jusqu'à présent – rien à voir avec la vraie nature. Et puis je perds tout intérêt. Incidemment, les théoriciens des cordes nous ont assuré que tout ce qui est trouvé avec le LHC n'a rien à voir avec leur théorie. Nous ne trouverons donc pas de dimension supérieure inconnue au CERN. Le problème, c'est que la théorie des cordes a acquis sa propre vie mathématique au cours des dix dernières années. Il s'est progressivement transformé en une sorte de théorie du culte. Mais nous ne connaissons aucun moyen de tester la théorie des cordes en laboratoire. Alors qu'est-ce qu'on doit en faire alors ? Si je ne sais pas qui habite la maison d'à côté, si quelqu'un y habite et que je ne sais pas comment le savoir – je ne sors pas par exemple – alors je me désintéresse de mon hypothétique voisin .
"Demandez à un astronome s'il est sûr d'avoir déjà observé un trou noir. L'astronomie est une discipline plutôt étrange en physique. Il lui manque l'un des piliers fondamentaux qui rendent d'autres domaines, comme la physique des particules, tout aussi solides, à savoir l'expérimentation. Et plus important encore :la reproductibilité des expériences. Avez-vous déjà entendu parler d'un astronome mettant en place une expérience ? Tout ce qu'il peut faire, c'est regarder le ciel. Et quand il voit quelque chose de nouveau, il propose une théorie qui explique comment tout cela fonctionne. Mais ce qui manque, c'est la vérification ultérieure pour voir si cette théorie est correcte. La physique est fermement fondée sur des expériences reproductibles. Mais les supernovas et autres ne peuvent pas être programmées à distance. Deux détecteurs de particules complètement indépendants (CMS et ATLAS) ont été intégrés au LHC, qui recherchent plus ou moins la même chose. De cette façon, nous ne mettons pas nos œufs dans le même panier. Si un détecteur voit Higgs passer, l'autre doit également trouver la particule. La physique des particules est imprégnée par l'expérience reproductible."
« En astronomie, il n'y a même pas une seule bonne expérience. Si un astronome dit :« Il y a un trou noir là-bas », comment le sait-il ? S'il définit un trou noir comme une certaine quantité de masse contenue dans un certain rayon - le rayon de Schwarzschild - et que vous supposez que la théorie d'Einstein est correcte, alors il a raison de dire que vous pouvez entreprendre une recherche significative. Par exemple, un certain nombre de bons candidats pour les trous noirs ont été découverts dans l'univers. Mais apparemment il y a une marge d'erreur d'un facteur mille sur le rayon de Schwarzschild ! Alors même le Soleil sera considéré comme un trou noir candidat. Si vous avez l'habitude de travailler avec les standards de la physique des particules, l'existence des trous noirs n'a donc jamais été prouvée. Vous n'êtes donc pas obligé d'y croire si vous n'en avez pas envie.
