CNRS Le Journal n°300 jun/jui/aoû 2020
CNRS Le Journal n°300 jun/jui/aoû 2020
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°300 de jun/jui/aoû 2020

  • Périodicité : trimestriel

  • Editeur : CNRS

  • Format : (210 x 270) mm

  • Nombre de pages : 68

  • Taille du fichier PDF : 9,6 Mo

  • Dans ce numéro : spécial covid-19.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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EN ACTION UNIVERS LHC  : dix ans après, l’aventure continue Physique des particules. Au terme d’une décennie de fonctionnement, l’accélérateur du Cern a profondément renouvelé le visage de la physique de l’infiniment petit. Il redémarrera en 2021 avec des installations encore plus performantes. PAR MATHIEU GROUSSON L e 30 mars dernier, le LHC (Large Hadron Collider ou Grand collisionneur de hadrons en français) a fêté ses dix ans de fonctionnement à plein régime. Projetant les uns contre les autres, 30 millions de fois par seconde, des protons accélérés jusqu’à une vitesse proche de celle de la lumière, il s’appuie sur quatre expériences pour observer les particules issues de ces collisions. L’objectif des milliers de chercheurs, ingénieurs et techniciens qui participent à cette aventure scientifique inouïe qui se tient au Cern, à la frontière franco-suisse  : dévoiler les lois fondamentales de notre Univers. Tandis que les installations sont en cours de mise à jour pour un niveau de performance accru, l’aventure est prévue pour durer au moins jusqu’en 2037. Boson de Higgs produit en association avec deux quarks top dans Atlas. CNRS LE JOURNAL 58 CERN/ATLAS Lire l’intégralité de l’article sur lejournal.cnrs.fr L’expérience repose sur un principe simple  : à chaque collision entre protons accélérés, en vertu de l’équivalence entre masse et énergie, l’énergie cinétique accumulée par ces particules se mue en « grains » de matière. Il y a une vingtaine d’années, les promoteurs du LHC avaient calculé que pour observer des phénomènes intéressants, les protons devraient atteindre une énergie de 7 téraélectronvolts, soit celle d’un moustique en vol, concentrée dans un volume mille milliards de fois plus petit. D’où la nécessité d’un accélérateur gigantesque et de quatre détecteurs hors-norme – Atlas, CMS, LHCb et Alice –, auxquels les scientifiques français apportent une contribution non négligeable. Comme le résume Laurent Vacavant, directeur adjoint scientifique à l’Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) du CNRS, « la France participe à hauteur de 14% au budget du Cern et à 10% de l’effort sur les détecteurs. Concrètement, dix laboratoires de l’IN2P3 sont impliqués sur les quatre expériences, soit 250 chercheurs, 280 ingénieurs et techniciens, et une centaine de doctorants en permanence, auxquels s’ajoutent environ 150 personnes de l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers du CEA. » Le boson de Higgs enfin détecté Les dizaines de millions de capteurs qui équipent Atlas et CMS permettent des mesures dans tous les secteurs possibles. Une puissance grâce à laquelle les checheurs ont pu mettre rapidement la main sur le boson de Higgs, une particule dont l’existence était postulée depuis 1964 pour expliquer la masse des autres particules. « Au démarrage, on pensait qu’il faudrait 5 ou 6 ans avant de voir quelque chose, raconte Isabelle Wingerter-Seez, responsable d’Atlas-France jusqu’en 2017. Mais dès 2011, on a commencé à voir un signal sortir du bruit, et le 4 juillet 2012, nous avons pu confirmer que le boson de Higgs était bien là ! » Didier Contardo, responsable de CMS-France, ajoute  : « Nous savions comment l’observer au mieux, les expériences et la chaîne d’analyse se sont montrées aussi performantes qu’attendu, voire plus, et les deux détecteurs ont vu la même chose au même niveau de précision. » Le boson de Higgs apportait la dernière pierre manquante du modèle standard de la physique. Toutefois, Atlas et CMS avaient aussi été conçues pour révéler une nouvelle physique non décrite par ce modèle pour expliquer, entre autres, la nature de la matière noire, la valeur des constantes physiques ou l’absence d’antimatière.
PATRICK DUMAS/LHC/CNRS PHOTOTHÈQUE Mais pour l’instant, « nous n’avons pas observé l’once du début de quelque chose qui n’entre pas dans le cadre du modèle standard », se désole Isabelle Wingerter-Seez. Après avoir suivi les pistes les plus évidentes, les expérimentateurs se sont donc lancés dans un travail de bénédictins. « On cherche dans des recoins plus difficiles, des processus rares, des observables complexes, des modèles de nouvelle physique qui étaient a priori moins favorisés… », confirme Didier Contardo. La surprise pourrait venir de l’expérience LHCb, dédiée à l’étude de la désintégration de particules ap pelées mésons beaux. En effet, d’après le modèle standard, matière et antimatière sont quasiment semblables en tout point. Or l’antimatière est totalement absente de l’Univers. LHCb étudie depuis plusieurs années les désintégration des mésons beaux soit en électrons, soit en muons, sorte de cousins obèses des premiers. Or comme l’explique Renaud Le Gac, responsable de LHCb-France, « d’après le modèle standard, les deux processus devraient être parfaitement équivalents, ce qui d’après nos données n’est pas exactement le cas. À ce stade, ces différences ne sont pas encore significatives, mais elles sont en l’état la piste la plus sérieuse pour observer une physique qui sorte du cadre du modèle standard. » Détecteur de l’expérience CMS dans sa configuration ouverte. Représentation de la structure interne hypothétique d’un L pentaquark. Des quarks dans tous leurs états Restent d’autres belles découvertes inscrites dans le cadre du modèle standard. Ainsi l’expérience LHCb a pu produire en 2017 une particule composée de cinq quarks  : le penta quark. À la clé  : une meilleure modélisation des quarks – qui composent protons et neutrons – et de l’interaction forte, qui lie entre eux les quarks et les composants du noyau atomique. L’interaction forte et ses médiateurs, les gluons, sont également au cœur des investigations menées auprès du détecteur Alice. Celui-ci fait entrer en collision des noyaux d’atomes de plombafin de recréer un état très singulier de la matière dans lequel se trouvait l’Univers une microseconde après le big-bang  : le plasma de quarks-gluons (ou QGP). « L’énergie du LHC permet l’obtention du QGP le plus chaud, le plus dense et à la durée de vie la plus longue jamais observée », explique Cvetan Cheshkov, coordinateur de physique adjoint d’Alice. On a ainsi pu préciser certaines propriétés du QGP et il s’avère qu’elles se rapprochent plus de celles d’un liquide sans friction que d’un gaz, un état de la matière sans équivalent connu. Si le LHC a déjà apporté certaines réponses, il a ajouté de nouvelles questions parfois vertigineuses. Pour y répondre, toutes les équipes sont actuellement à l’œuvre pour améliorer les performances de l’accélérateur et des détecteurs dont la remise en service est prévue en 2021. Certaines de ces améliorations visent déjà à préparer la phase dite de LHC haute luminosité qui, à partir de 2027, et après adaptation de tous les matériels et logiciels d’analyse, verra au minimum quintupler le nombre de collisions par seconde au centre des détecteurs. Comme l’indique Laurent Vacavant, « à ce jour, nous n’avons recueilli que 5% des données que le LHC prendra durant toute sa durée de fonctionnement. » Une chose est certaine, après dix ans, l’aventure continue plus que jamais. ii CERN/LHCB EN ACTION N°300 59



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