Le grand collisionneur de hadrons et la frontière de la physique

La science de la physique des particules se penche sur les éléments constitutifs de la matière - les atomes et les particules qui constituent une grande partie du matériau dans le cosmos. C'est une science complexe qui nécessite des mesures minutieuses des particules se déplaçant à grande vitesse. Cette science a reçu un énorme coup de pouce lorsque le Grand collisionneur de hadrons (LHC) a commencé ses opérations en septembre 2008. Son nom sonne très "science-fiction" mais le mot "collisionneur" explique en fait exactement ce qu'il fait: envoyer deux faisceaux de particules de haute énergie à presque la vitesse de la lumière autour d'un anneau souterrain de 27 kilomètres de long. Au bon moment, les faisceaux sont obligés de «entrer en collision». Les protons dans les faisceaux se brisent alors ensemble et, si tout se passe bien, des morceaux plus petits - appelés particules subatomiques - sont créés pendant de brefs instants. Leurs actions et leur existence sont enregistrées. De cette activité, les physiciens en apprennent davantage sur les constituants très fondamentaux de la matière.

LHC et physique des particules

Le LHC a été construit pour répondre à des questions incroyablement importantes en physique, en explorant d'où vient la masse, pourquoi le cosmos est fait de matière au lieu de son «truc» opposé appelé antimatière, et ce que le mystérieux «truc» connu sous le nom de matière noire pourrait éventuellement être. Il pourrait également fournir de nouveaux indices importants sur les conditions dans le tout premier univers lorsque la gravité et les forces électromagnétiques étaient toutes combinées avec les forces faibles et fortes en une seule force englobante. Cela ne s'est produit que pendant une courte période dans le premier univers, et les physiciens veulent savoir pourquoi et comment cela a changé. 

La science de la physique des particules est essentiellement la recherche des éléments de base de la matière. Nous connaissons les atomes et les molécules qui composent tout ce que nous voyons et ressentons. Les atomes eux-mêmes sont constitués de composants plus petits: le noyau et les électrons. Le noyau est lui-même constitué de protons et de neutrons. Ce n'est pas la fin de la ligne, cependant. Les neutrons sont constitués de particules subatomiques appelées quarks.

Y a-t-il des particules plus petites? C'est ce que les accélérateurs de particules sont conçus pour découvrir. La façon dont ils le font est de créer des conditions similaires à ce que c'était juste après le Big Bang - l'événement qui a commencé l'univers. À ce stade, il y a environ 13,7 milliards d'années, l'univers n'était composé que de particules. Ils étaient dispersés librement à travers le cosmos infantile et parcouraient constamment. Ceux-ci incluent les mésons, les pions, les baryons et les hadrons (pour lesquels l'accélérateur est nommé).

Les physiciens des particules (les personnes qui étudient ces particules) soupçonnent que la matière est composée d'au moins douze types de particules fondamentales. Ils sont divisés en quarks (mentionnés ci-dessus) et en leptons. Il y en a six de chaque type. Cela ne représente que certaines des particules fondamentales de la nature. Les autres sont créés lors de collisions superénergétiques (soit dans le Big Bang, soit dans des accélérateurs comme le LHC). À l'intérieur de ces collisions, les physiciens des particules ont un aperçu très rapide des conditions du Big Bang, lorsque les particules fondamentales ont été créées.

Qu'est-ce que le LHC?

Le LHC est le plus grand accélérateur de particules au monde, une grande sœur de Fermilab dans l'Illinois et d'autres petits accélérateurs. Le LHC est situé près de Genève, en Suisse, construit et exploité par l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire, et utilisé par plus de 10 000 scientifiques du monde entier. Le long de son anneau, les physiciens et les techniciens ont installé des aimants surfondus extrêmement puissants qui guident et façonnent les faisceaux de particules à travers un tuyau de faisceau). Une fois que les faisceaux se déplacent assez rapidement, des aimants spécialisés les guident vers les positions correctes où les collisions ont lieu. Des détecteurs spécialisés enregistrent les collisions, les particules, les températures et autres conditions au moment de la collision, et les actions des particules dans les milliardièmes de seconde au cours desquels les smash-ups ont lieu.

Qu'a découvert le LHC?

Lorsque les physiciens des particules ont planifié et construit le LHC, une chose qu'ils espéraient trouver était le boson de Higgs. C'est une particule nommée d'après Peter Higgs, qui a prédit son existence. En 2012, le consortium LHC a annoncé que des expériences avaient révélé l'existence d'un boson correspondant aux critères attendus pour le boson de Higgs. En plus de la recherche continue des Higgs, les scientifiques utilisant le LHC ont créé ce qu'on appelle un «plasma de quarks-gluons», qui est la matière la plus dense qui existerait en dehors d'un trou noir. D'autres expériences sur les particules aident les physiciens à comprendre la supersymétrie, qui est une symétrie espace-temps qui implique deux types de particules apparentées: les bosons et les fermions. On pense que chaque groupe de particules a une particule superpartenaire associée dans l'autre. Comprendre une telle supersymétrie donnerait aux scientifiques un aperçu supplémentaire de ce que l'on appelle le "modèle standard". C'est une théorie qui explique ce qu'est le monde, ce qui maintient sa matière, et les forces et particules impliquées.

L'avenir du LHC

Les opérations du LHC ont comporté deux grandes séries «d'observation». Entre chacun, le système est rénové et mis à niveau pour améliorer son instrumentation et ses détecteurs. Les prochaines mises à jour (prévues pour 2018 et au-delà) comprendront une augmentation des vitesses de collision et une chance d'augmenter la luminosité de la machine. Cela signifie que le LHC pourra voir des processus d'accélération et de collision de particules de plus en plus rares et rapides. Plus les collisions peuvent se produire rapidement, plus l'énergie sera libérée car des particules toujours plus petites et plus difficiles à détecter sont impliquées. Cela donnera aux physiciens des particules un meilleur aperçu des éléments constitutifs de la matière qui composent les étoiles, les galaxies, les planètes et la vie..