L’avenir de la physique des particules en suspens

Un employé du CERN passe devant le Grand collisionneur de hadrons (LHC), à Meyrin, en Suisse.
Photo: Fabrice Coffrini Agence France-Presse Un employé du CERN passe devant le Grand collisionneur de hadrons (LHC), à Meyrin, en Suisse.

Alors que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) prend de l’âge, le Japon hésite à adouber un autre projet, l’Accélérateur linéaire international (ILC). Les physiciens des particules ont revu sa puissance à la baisse pour réduire son coût de 40 %. Bref, les grands équipements de physique fondamentale ont de plus en plus de difficulté à se faire financer.

Les physiciens sont dans le doute. Cinq ans après la découverte du boson de Higgs, le Grand collisionneur de hadrons (LHC) de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (mieux connu sous l’acronyme CERN) n’a pas fait la moindre découverte majeure. « Celle qui porterait des indices d’une nouvelle physique, explique Adam Falkowski, du laboratoire de physique théorique d’Orsay en région parisienne. « Nous explorons des territoires complètement nouveaux, mais nous ne perdons pas espoir. La situation peut changer à tout moment. »

Et c’est tant mieux, car cette nouvelle physique, les physiciens des particules l’attendent depuis longtemps. Tous savent que le modèle standard est incomplet : élaboré dans les années 1960, ce cadre théorique qui décrit les particules et les lois fondamentales de la nature ne parvient pas à expliquer l’origine de la matière noire et de l’énergie noire, qui représentent pourtant 95 % de l’univers ! « Pour mettre à mal le modèle standard et ouvrir une nouvelle voie, il faudrait par exemple découvrir une particule inédite », explique Adam Falkowski. « Une particule plus lourde que le boson de Higgs », ajoute Lyndon Evans, le père du LHC.

Ce gros lot, les physiciens du LHC ont bien cru l’avoir déniché en 2015, avec des observations suggérant l’existence d’une particule six fois plus lourde que le boson de Higgs, la première incompatible avec le modèle standard. Mais tandis que des centaines de théoriciens s’affairaient à élaborer de nouveaux modèles capables d’expliquer cette « particule X », l’espoir s’est envolé en quelques mois : il ne s’agissait que d’un mauvais tour joué par les statistiques.

Nouvelles avenues

En attendant qu’une particule inédite se montre, enfin, au LHC, les chercheurs explorent une seconde piste. « Il s’agit de faire des mesures à haute précision sur le boson de Higgs », souligne Adam Falkowski. Tout écart significatif constaté entre la théorie et les expériences, par exemple sur les interactions entre le boson de Higgs et la matière, serait assurément l’indice d’une nouvelle physique.

Une véritable oasis dans le désert que traversent, depuis trente ans, les théoriciens en quête d’un nouveau cadre théorique. Mais, hélas, le LHC n’est pas assez précis, explique Lyndon Evans : « Les protons sont gros et composites, faits de quarks et de gluons. Leurs collisions génèrent donc beaucoup de débris. Imaginez que les protons sont des oranges dont on cherche à observer les pépins. Le LHC produit beaucoup de pulpe, ce qui réduit la précision des observations ! »

Sans pulpe ni pépins

Des particules sans pulpe ni pépins, il en existe une toute trouvée : l’électron est une particule fondamentale, indivisible par essence, et près de deux mille fois plus légère que le proton, donc plus facile à accélérer. Tout comme le positron (ou antiélectron), une particule de même masse et de même charge électrique, mais de signe inverse. En provoquant la collision d’un faisceau d’électrons et d’un autre de positrons, on pourrait créer le Higgs avec seulement 250 gigaélectronvolts (GeV) d’énergie, soit cinquante fois moins qu’au LHC. Mieux, à 350 GeV, les physiciens accéderaient même au quark appelé « top », une autre particule fondamentale susceptible de répondre à leurs questions.

Mais il y a un hic. Ces ordres de grandeur sont valables pour un accélérateur linéaire, et non pour un accélérateur circulaire tel que le LHC, car dans les virages, les particules légères telles que les électrons perdent beaucoup d’énergie sous forme de rayonnement synchrotron. « Dans un accélérateur circulaire d’électrons-positrons, il faudrait une circonférence de plusieurs centaines de kilomètres pour atteindre une énergie de 350 GeV contre quelques dizaines de kilomètres avec un accélérateur en ligne droite », justifie Tatsuya Nakada, physicien à l’École polytechnique fédérale de Lausanne et au CERN, et responsable des accélérateurs linéaires au Comité international pour les accélérateurs futurs (ICFA). L’organisme porte notamment le projet de l’Accélérateur linéaire international (ILC), qui pourrait justement répondre à ce besoin en collisions électrons-positrons. « Nous pensons que l’ILC permettra d’obtenir deux ou trois événements — la création du Higgs — toutes les cent collisions de particules ; c’est vingt millions de fois plus qu’au LHC. » Et donc, la garantie d’un environnement propre et de mesures de haute précision.

Coûts importants

Dans sa première mouture, l’instrument devait mesurer 33,5 kilomètres, pour une énergie de 500 GeV et un prix estimé à 10 milliards de dollars canadiens. En 2012, la communauté scientifique japonaise a proposé de l’héberger, avec un argument de poids : le Japon cofinance de nombreux instruments internationaux de physique, mais n’en héberge aucun sur son sol. Restait à convaincre Tokyo de signer un chèque conséquent : en 2005, le pays a raté ITER, le réacteur international à fusion nucléaire. L’UE a proposé de financer 45 % d’un montant estimé, aujourd’hui, à 23 milliards de francs. Le réacteur se construit à Cadarache, dans le sud-est de la France, Paris payant plus de 20 % de la facture européenne.

Inquiètes du coût de l’ILC, les autorités japonaises hésitent. « Cela fait plus de trois ans que le dossier est sur la table du gouvernement », s’impatiente Lyndon Evans. Les promoteurs de l’ILC ont joué leur va-tout, en annonçant le 7 novembre une reconfiguration drastique du projet, et un coût réduit à 6 milliards de dollars : son énergie ne sera plus que de 250 GeV. « C’est assez pour étudier le boson de Higgs, mais pas pour le quark top », commente Adam Falkowski. Mais c’est une sage décision. » Le geste des physiciens suffira-t-il à convaincre Tokyo ?

CLIC et quarks

« Nous n’attendrons pas au-delà de 2018, prévient Lyndon Evans. Plus le temps passe, plus l’ILC perd en crédibilité. » Il est vrai que le CERN possède, dans ses cartons, une autre machine, le collisionneur linéaire compact (CLIC). D’une conception un peu différente de l’ILC, elle pourrait fabriquer des bosons de Higgs et des quarks top à la chaîne avec une énergie de 350 ou 400 GeV. « Le CERN doit préparer l’avenir, estime Lyndon Evans. Si l’ILC voit le jour, le CLIC ne se fera pas de sitôt. Mais si le Japon abandonne, il deviendra indispensable ! »

En attendant, le LHC va entamer une longue cure de jouvence, de 2018 à 2026. « Il s’agit de multiplier la luminosité des faisceaux. » Les physiciens espèrent décupler le rythme de création du boson de Higgs, tout en espérant découvrir des particules d’une masse proche de 1 téraélectronvolt (huit fois celle du boson de Higgs). « Le LHC restera la machine la plus puissante au cours des vingt-cinq prochaines années. » La suite ? Les physiciens y pensent déjà : un super collisionneur à protons de 100 km de circonférence !

« Je ne suis pas sûr qu’un tel projet voie le jour au cours du XXIe siècle », estime Adam Falkowski. Il est vrai que le coût serait pharaonique. En se fondant sur le prix du Gothard (12,5 milliards de dollars pour 57 km), il faudrait compter près de 25 milliards pour creuser le tunnel. Et probablement 25 de plus pour l’équiper…