04/09/2013

Collisionner des protons pour mieux comprendre l'origine de notre univers

Comment les physiciens imaginent-ils le zeptoespace ? Pourquoi le mystérieux boson de Higgs existe-t-il ? L’espace cache-t-il une supersymétrie ou s’étend-il dans des dimensions supplémentaires ? Comment la collision de protons dans le LHC peut-elle révéler les secrets de l’origine de l’Univers ? Peut-on produire de la matière noire au LHC ? Le LHC est un instrument relevant du superlatif, où la complexité technologique atteint son paroxysme.

Les innovations technologiques nécessaires à sa construction ne sont que l’un des nombreux aspects extraordinaires de cette aventure scientifique.


Des microscopes de plus en plus grands

« Ce n’est qu’observée au microscope que notre vie semble si grande. » Arthur Schopenhauer

Notre quête des lois fondamentales de la nature nous conduit à explorer le monde à des échelles toujours plus petites. Avec l’aide d’un microscope, nous pouvons découvrir, à l’échelle de la dizaine de micromètres (un micromètre est un millionième de mètre), qu’un organisme vivant est composé de cellules. Nous pouvons essayer d’augmenter encore le grossissement de l’instrument, mais aucun microscope optique n’offre d’image dont la résolution va en deçà d’une fraction de micromètre, la taille de la plus petite bactérie. Cela tient au fait que, la lumière étant une onde électromagnétique, elle ne peut pas être utilisée pour révéler des objets plus petits que sa propre longueur d’onde. La lumière visible a des longueurs d’onde comprises entre 380 et 750 nanomètres (un nanomètre est un milliardième de mètre). En deçà de cette longueur d’onde, tout détail sera inévitablement indistinct. Cette limite n’est pas imposée par un instrument optique particulier, mais découle d’une propriété intrinsèque de la lumière. De même, il n’est pas possible de mesurer un moustique avec un double-mètre en bois ni de serrer les minuscules vis d’une monture de lunettes avec un gros tournevis. Un outil n’a pas prise sur des objets beaucoup plus petits que lui. Ainsi, la lumière visible a une taille minimum intrinsèque (sa longueur d’onde) et, par conséquent, elle ne peut révéler aucune distance inférieure à quelques centaines de nanomètres.

Pour explorer la nature en deçà de quelques centaines de nanomètres, nous avons besoin de sondes de longueur d’onde inférieure. Les images de virus et de biomolécules sont généralement obtenues à l’aide de microscopes électroniques. Dans ces microscopes, le faisceau de lumière visible utilisé par les microscopes optiques ordinaires est remplacé par des faisceaux d’électrons, et les lentilles optiques ordinaires sont remplacées par des électroaimants. Les microscopes électroniques, qui peuvent déterminer des dimensions de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres, soit la taille d’un atome, nous permettent d’explorer le monde à petite échelle. Mais cela n’est pas encore suffisant pour observer la matière nucléaire et subnucléaire. Pour sonder l’intimité du monde à l’échelle subnucléaire, où la nature cache les secrets des lois fondamentales de la physique, il faut une forme de rayonnement plus énergétique, et de longueur d’onde plus petite.

Selon la mécanique quantique, il existe une dualité entre les ondes et les particules : cela signifie que l’entité physique réelle n’est pas exclusivement une onde ni exclusivement une particule, mais possède des propriétés communes aux deux. Deux concepts qui semblent à première vue totalement distincts, l’onde et la particule, sont en fait deux expressions d’une même essence. Par exemple, nous pouvons interpréter la lumière comme une onde électromagnétique ou comme un faisceau de photons, et ces deux descriptions sont correctes. La même interprétation dualiste – à la Dr Jekyll et Mr Hyde – peut s’étendre des photons à toute autre particule élémentaire, comme l’avait supposé en 1923 le physicien français Louis de Broglie (1892-1987, prix Nobel 1929). Quand de Broglie émit cette hypothèse, elle semblait si absurde qu’on la surnomma « la Comédie française ». Néanmoins, la mécanique quantique apport de nombreuses surprises, et des électrons manifestèrent effectivement des modes d’interférences caractéristiques d’une nature ondulatoire, donnant raison à de Broglie. Le rattachement des particules et des ondes par un seul concept dualiste implique une relation entre l’énergie d’une particule et la longueur de l’onde qui lui est associée. Plus une particule est énergétique, plus sa longueur d’onde est courte. Ainsi, selon la mécanique quantique, un rayonnement de courte longueur d’onde équivaut à un faisceau de particules très énergétiques. En d’autres termes, pour examiner la matière à des échelles toujours plus petites, il faut des accélérateurs de particules de plus en plus puissants.

Pour explorer un puits profond, nous pouvons jeter des pierres dedans et déduire sa profondeur du temps que le bruit met à nous parvenir ; grâce à la nature du son, nous pouvons déterminer si, au fond, se trouve de l’eau, de la terre, ou autre chose. La même stratégie est utilisée pour sonder la matière à des petites échelles, comme l’illustrent les expériences de Geiger, Marsden et Rutherford, qui ont mené à la découverte du noyau atomique. Cette stratégie consiste à bombarder la matière avec des projectiles hautement énergétiques (équivalents à un rayonnement de courte longueur d’onde, selon la mécanique quantique). Plus l’énergie est élevée, plus les projectiles pénètrent profondément dans la matière. En mesurant les caractéristiques des projectiles après leur collision avec la cible, il est possible d’obtenir des informations sur ce qu’ils ont rencontré à l’intérieur de la matière. Les échos d’un rayonnement très énergétique sont interprétés et traduits en une image du monde microscopique. Cette méthode suit une logique proche du principe de fonctionnement des microscopes optiques : dans ces microscopes, les projectiles sont des photons réfléchis par le spécimen observé, puis perçus par nos yeux sous la forme d’une image.

Dans les expériences modernes, les projectiles sont des particules très énergétiques, tandis que les « yeux » sont des détecteurs électroniques sophistiqués qui permettent d’observer les débris des collisions et de reconstituer l’image de la nature à petite échelle. L’exploration du monde des particules requiert toutefois de gigantesques accélérateurs de haute énergie pour une autre raison. Pour l’expliquer, il est nécessaire d’ouvrir une parenthèse. En 1905, un employé de l’Office des brevets de Berne, un dénommé Albert Einstein, formula l’équation la plus célèbre jamais écrite en physique : E = mc2. Il l’expliqua plus tard : « il y a équivalence entre la masse et l’énergie »16. Cette équation signifie que la masse (m) est une forme d’énergie (E), tout comme la chaleur ou l’énergie cinétique. La vitesse de la lumière au carré (c2) est le facteur de conversion entre l’énergie et la masse, tout comme il existe des facteurs de conversion entre les euros et les dollars, ou entre les kilomètres et les miles. Nous pouvons exprimer un prix en euros ou en dollars : le nombre est différent, mais la valeur est la même. Nous pouvons dire que la distance entre Genève et Paris est de 404 km ou de 251 miles, tout en donnant la même indication.

Ainsi, nous pouvons convertir la masse en unités d’énergie. Cependant, le facteur de conversion entre l’énergie et la masse est vraiment immense (si nous utilisons des unités de mesure habituelles) par rapport au facteur de conversion entre les euros et les dollars (du moins, pour le moment) ou entre les kilomètres et les miles. Par exemple, selon l’équation d’Einstein, un kilogramme de matière correspond à l’énergie d’environ 20 mégatonnes de TNT, soit à l’énergie produite par l’explosion de plus de mille bombe d’Hiroshima. Pour l’exprimer autrement, un kilogramme de matière équivaut à l’énergie générée par le moteur d’une Ferrari 430 Scuderia roulant à pleine vitesse pendant environ 8000 ans. Pour produire cette quantité d’énergie, le moteur de la Ferrari aurait besoin de plusieurs millions de tonnes de carburant. La masse étant conceptuellement équivalente à l’énergie, les physiciens expriment généralement la masse des particules à l’aide d’une unité d’énergie : l’électronvolt (eV). Un électronvolt correspond à l’énergie acquise par un électron quand il est accéléré dans le vide par une différence de potentiel d’un volt. Ils utilisent souvent les multiples de l’électronvolt : le MeV (un million d’eV), le GeV (un milliard d’eV) et le TeV (mille milliards d’eV). Ainsi, parmi les scientifiques, il est courant de dire que la masse de l’électron est égale à 0,51 MeV (plutôt que 9 × 10–31 kg) et que celle du proton est de 0,94 GeV (plutôt que 2 × 10–27 kg), bien que le MeV et le GeV soient en réalité des unités d’énergie et non de masse.

Quel est le rapport entre l’équation d’Einstein et l’exploration du monde subnucléaire ? Les théories qui décrivent la nature à petite échelle prédisent l’existence de nouvelles particules, bien plus lourdes que les protons et les neutrons ordinaires. Afin d’éprouver ces théories, les physiciens ont besoin de trouver de nouvelles particules, qu’ils essaient de produire dans des expériences en laboratoire. Selon l’équation d’Einstein, ils peuvent en obtenir en transformant de l’énergie en masse. Lors des collisions de particules, une grande quantité d’énergie peut être concentrée en un petit espace. Cette énergie peut se matérialiser sous la forme de nouvelles particules. Des sources de particules de haute énergie sont donc utiles aux physiciens, non seulement pour sonder les propriétés intimes de la matière à l’aide d’un rayonnement de courte longueur d’onde, mais aussi pour découvrir de nouveaux types de particules, lorsque les faisceaux entrant en collision produisent des formes encore inconnues de la matière. Pour ses expériences, Rutherford utilisait des faisceaux de particules alpha produites par la radioactivité naturelle, ce qui lui permettait de sonder la matière à des échelles beaucoup plus petites que ce que l’on peut voir avec la lumière visible.

Cependant, l’énergie des particules alpha ne peut pas dépasser un plafond d’énergie propre au matériau radioactif et, tout comme la lumière visible, elles ne peuvent pas être utilisées pour sonder la matière indifféremment à toutes les petites échelles. La longueur d’onde associée au rayonnement alpha (son instrument de mesure) est de l’ordre de quelques millionièmes de nanomètre, ce qui permet de découvrir le noyau atomique, mais n’est pas suffisamment petit pour explorer plus avant le monde des particules. Il apparut rapidement que, pour explorer la structure subnucléaire, il fallait trouver un moyen artificiel d’accélérer les particules pour les porter à des énergies supérieures à celles que produit la radioactivité naturelle. Rutherford lui-même en prit conscience en 1927 : « J’aspire depuis longtemps à disposer pour mes recherches d’une grande quantité d’atomes et d’électrons dont l’énergie irait bien au-delà de celle des particules a et β des corps radioactifs. J’ai bon espoir que mon souhait se réalisera un jour, mais ce ne sera pas avant d’avoir surmonté de nombreuses difficultés expérimentales, même à l’échelle d’un laboratoire. »17 Le LHC aura certainement exaucé le voeu de Rutherford, mais, comme il l’avait prévu, sa réalisation n’a pas été sans mal. Il aura fallu l’ingéniosité de plusieurs générations de physiciens et d’ingénieurs pour mener à bien une entreprise qui a commencé avec les premiers accélérateurs électrostatiques – mis au point durant les années 1930 au laboratoire Cavendish par John Cockcroft (1897-1967, prix Nobel 1951) et Ernest Walton (1903-1995, prix Nobel 1951) – et qui a abouti à la construction de l’accélérateur le plus puissant de tous les temps, le LHC.

Cet ouvrage traite de la mission du LHC, des raisons pour lesquelles le projet a été conçu et des connaissances que nous voulons en retirer. Le sujet est par nature vaste, complexe et hautement technique, mais mon but est relativement modeste. Je n’aborderai pas tous les thèmes de manière systématique et je n’ai pas la prétention de raconter en détail l’histoire du LHC. Je chercherai seulement à donner un aperçu des enjeux du point de vue d’un physicien, tout en soulignant l’étendue et la profondeur intellectuelle des questions que le LHC va devoir examiner.

 

 

 

> Pour en savoir plus

Extrait du titre  L'Odyssée du Zeptoespace - Un voyage au coeur de la physique du LHC

de Dian F. Giudice

Publié aux Presses polytechniques et universitaires romandes

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