Retour vers le big bang

On a sabré le champagne hier à 100 mètres sous terre, en banlieue de Genève, à la frontière franco-suisse. Une foule de physiciens habituellement taciturnes étaient euphoriques après avoir démarré, avec succès, l'expérience scientifique la plus ambitieuse jamais réalisée.

Le fruit d'une dizaine d'années d'efforts se concrétisait enfin alors qu'on injectait deux faisceaux de protons dans le plus puissant accélérateur de particules subatomiques du monde, le LHC pour Large Hadron Collider du CERN, l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire. Les collisions que l'on provoquera dans les prochaines semaines entre les protons accélérés à des énergies encore jamais atteintes artificiellement devrait dévoiler de nouvelles facettes de la structure la plus intime de la matière. Elles devraient fournir la raison pour laquelle les atomes ont une masse et reproduire les conditions qui ont prévalu une fraction de seconde après le Big Bang. Elles pourraient aussi mettre au jour les énigmatiques constituants de la matière sombre, laquelle compose le quart de l'Univers, alors que la matière visible n'en représente que 4 à 5 %.

Logé dans un tunnel en forme d'anneau d'une circonférence de 27 kilomètres, le LHC est constitué d'un tuyau au sein duquel on accélérera deux faisceaux de protons dans des directions opposées et à une vitesse approchant celle de la lumière, conférant ainsi à ces particules une énergie atteignant sept téra-électron-volts (TeV ou 1012 électron-volts). «Ainsi, au moment de la collision entre deux protons, l'énergie totale atteindra 14 TeV, une énergie encore jamais atteinte dans une expérience», souligne le professeur de Claude Leroy de l'Université de Montréal qui a mis au point un petit détecteur qui permet d'échantillonner les champs de radiation émis dans le LHC.

Le LHC est entouré de 6700 aimants supraconducteurs — maintenus à une température de -271 degrés Celsius — qui, par les puissants champs magnétiques qu'ils génèrent, servent à maintenir les protons (particule de charge positive présente dans le noyau des atomes et faisant partie de la famille des hadrons) sur la trajectoire courbe de l'anneau, car naturellement ceux-ci fonceraient droit devant. Aux quatre sites de l'anneau où l'on prévoit de défléchir la trajectoire des faisceaux de protons afin de provoquer leur collision, d'immenses détecteurs en forme de manchons ont été construits autour de l'accélérateur. Ces détecteurs sont destinés à capter les débris qui émergeront de ces collisions. «Si on permet à des protons à très haute énergie d'entrer en collision entre eux, ce sont les trois quarks qui les composent qui se heurteront les uns contre les autres, se fragmenteront, produisant des gerbes de particules secondaires dont plusieurs ont un temps de vie très court et se désintègrent rapidement en d'autres particules», explique M. Leroy.

Les détecteurs sont donc destinés à intercepter les traces laissées par ces particules alors qu'elles traversent les différentes couches du détecteur. Ils mesurent l'énergie que ces particules secondaires déposent — l'énergie permettra ensuite de déterminer leur masse — ainsi que leur charge et leur position.

Dénommé ATLAS, le plus gros des quatre détecteurs du LHC forme un cylindre de 46 mètres de long par 25 mètres de diamètre qui pèse 7000 tonnes et se compose de 100 millions de capteurs. La construction de ce détecteur unique au monde a nécessité la participation de 1900 physiciens et ingénieurs provenant de 164 institutions situées dans 35 pays, dont le Canada.

À l'aide du détecteur ATLAS, les physiciens espèrent observer le fameux boson de Higgs, surnommé «particule divine», qui a été imaginé par le physicien britannique Peter Higgs au début des années 1960 pour expliquer comment les particules acquièrent leur masse. Les physiciens n'ont jamais pu voir cette particule, mais la théorie prédit son existence. Comme toutes les particules extrêmement massives, le boson de Higgs sera vraisemblablement très instable et aura un temps de vie excessivement court, prédisent les scientifiques, qui ne s'attendent à détecter que les produits de sa désintégration.

En recréant les conditions qui prévalaient un bref instant après le Big Bang, les collisions qui auront lieu dans le LHC permettront aussi d'élucider l'énigme entourant la disparition de l'anti-matière. Chaque particule (comme l'électron) possède son anti-particule (le positron) qui a la même masse mais une charge électrique opposée. Or, lorsqu'une particule de matière ordinaire rencontre son anti-particule, les deux particules s'anéantissent. Elles disparaissent en un éclair, alors que leur masse se transforme en énergie. Les physiciens se demandent donc pourquoi la matière et l'anti-matière ne se sont pas complètement annihilées après la naissance de l'Univers. Le LHC devrait les aider à comprendre ce qu'il est advenu de l'anti-matière dans notre Univers, qui se compose aujourd'hui presque entièrement de matière ordinaire.

Le LHC pourrait également révéler l'existence de nouvelles particules qui nous étaient inconnues, telles que des particules supersymétriques. Selon une théorie physique, chaque particule que l'on connaît dans l'Univers possède un partenaire supersymétrique qui possède certaines propriétés similaires mais une masse différente notamment. «Les partenaires supersymétriques ont une masse énorme, et les accélérateurs existants ne généraient pas suffisamment d'énergie pour les produire, explique Claude Leroy. Or ces particules supersymétriques pourraient bien s'avérer les principaux constituants de la matière sombre.»

Le LHC pourrait même nous révéler l'existence de nouvelles dimensions à l'Univers, dimensions qui s'ajouteraient aux trois dimensions spatiales que nous connaissons, a expliqué hier par vidéoconférence entre l'université McGill et le CERN, Peter Jenni, grand responsable du détecteur ATLAS. «Le LHC pourrait nous aider à mettre au jour la raison pour laquelle la gravitation est beaucoup plus faible que les autres forces fondamentales de la nature [que sont la force nucléaire forte, qui pousse les quarks à s'assembler pour former protons et neutrons; la force nucléaire faible, qui est responsable de la désintégration radioactive de certains éléments, comme l'uranium; et la force électromagnétique, qui sous-tend aussi bien la puissance des éclairs d'un orage que le fonctionnement de nos appareils électroménagers et la charge électrique des particules microscopiques]. «Une partie de la gravité disparaît peut-être dans ces extra-dimensions de l'Univers [que prévoit la théorie des cordes qui est proposée pour décrire l'Univers dans toutes ses dimensions, allant de l'infiniment petit à l'infiniment grand], et c'est pourquoi nous ne ressentons pas tous ses effets. Le LHC nous offre ainsi la possibilité de retracer des indices de l'existence de ces dimensions additionnelles», a-t-il souligné.

Le LHC, dont l'inauguration s'est déroulée hier sous les projecteurs du monde entier, ne devrait livrer ses premiers résultats tangibles que dans un an, et ce, «si la nature est bonne pour nous», a précisé Peter Jenni.

Chose certaine, suite à ce lancement du LHC, notre planète ne s'est pas engouffrée dans un trou noir, comme certains sceptiques l'appréhendaient. À l'instar d'autres physiciens collaborant au LHC, Brigitte Vachon, professeur de physique à l'université McGill, n'exclut toutefois pas la possibilité que se crée un jour un mini trou noir dans le LHC compte tenu de la grande densité d'énergie qui y sera générée lors des collisions entre protons. «La probabilité qu'il s'en forme est infiniment petite. Et ces trous noirs seraient tellement petits qu'ils se désintégreraient presque immédiatement. Il ne faut pas oublier que les rayons cosmiques qui bombardent constamment la Terre et la Lune depuis des lustres atteignent des énergies de beaucoup supérieures à celles qui seront générées dans le LHC. Or la Terre et la Lune sont toujours là!», a-t-elle lancé.