Dr Emmett « Doc » Brown – La rencontre pourrait créer un paradoxe temporel, déclenchant une réaction en chaîne qui déchirerait le tissu même de l’espace-temps, détruisant tout l’univers ! J’admets que c’est le scénario le plus pessimiste. La destruction pourrait en fait être très localisée, et limitée à notre seule galaxie.

Marty McFly – Eh bien, me voilà rassuré…
 (Dialogue extrait du film Retour vers le futur)

conception graphique : Atelier Daniel Leprince
relecture : Valérie Gautheron

Le Pommier, 2009

Tous droits réservés

ISBN : 9782746514980

ISSN : 1625-1245

170 bis, boulevard du Montparnasse 75014 Paris
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Collection développée avec le concours du ministère de la Culture et de la Communication (Centre national du livre et Cité des sciences et de l’industrie), dans le cadre du Fonds Jules-Verne.

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Ce document numérique a été réalisé par Nord Compo.

Dan Simmons, dans son ouvrage Ilium, imagine que les physiciens de l’Institut de Paris, à la suite d’une malencontreuse expérience, ont laissé s’échapper un trou noir microscopique qui, avant de se précipiter vers le centre de la Terre, a détruit une large fraction de Paris, appelé dès lors « Paris Crater ». Les physiciens de tous les pays rassemblés au Cern sont-ils eux aussi des apprentis sorciers et pourraient-ils déclencher la destruction de la Terre, voire de l’Univers entier ?

Qu’est-ce que
le LHC ?

Le LHC est une machine implantée sur le territoire du Cern (Conseil européen pour la physique des particules) à la frontière franco-suisse, entre le pays de Gex et le canton de Genève. Le LHC est le plus grand, le plus énergique et le plus puissant accélérateur au monde, et accélère des protons qui, circulant en sens opposés dans deux tubes à vide, vont effectuer des collisions alors qu’ils ont chacun une énergie cinétique plus de sept mille fois supérieure à leur énergie de masse. Cet accélérateur sera près de dix fois plus énergique et produira cent fois plus de collisions que l’accélérateur aujourd’hui le plus puissant de même nature, le Tevatron, situé aux États-Unis près de Chicago.

Les protons qui circulent dans le LHC ont une vitesse qui ne diffère que d’un dix-millionième environ de la vitesse de la lumière, et cette énergie de 7 TeV (téra-électronvolts) est la plus haute énergie fabriquée par l’homme. Les protons circulent dans un anneau de 27 km de circonférence, qui était auparavant utilisé par les faisceaux d’électrons et de positrons du LEP (Large Electron Positron ring). En réutilisant le tunnel du LEP, même s’il a fallu installer un double système d’aimants supraconducteurs, les physiciens travaillant au Cern ont ainsi acquis un avantage décisif par rapport au projet plus coûteux du SSC (Superconducting Super Collider) aux États-Unis, abandonné en 1993 en raison de son coût jugé trop élevé.

Cette machine est sans doute la plus complexe jamais réalisée par l’homme. Conçue en 1990, approuvée par le Conseil du Cern en décembre 1994, elle a été mise en route le 10 septembre 2008 avec la circulation des premiers faisceaux dans chacun des deux sens. Alors que les premières collisions étaient prévues pour octobre 2008, un incident électrique a provoqué des dégâts sur une vingtaine d’aimants supraconducteurs. Le LHC, qui opère à une température proche du zéro absolu, doit donc être réchauffé, réparé puis refroidi à nouveau. Au moment où ces lignes sont écrites, les premières collisions sont attendues à l’été 2009. La machine montera progressivement, mais sans doute rapidement, à l’énergie nominale de 7 TeV par faisceau, et montera progressivement en intensité pour finalement produire, vers 2012-2013, un milliard de collisions par seconde. Dans une deuxième phase, au-delà de 2015, on envisage d’approcher les dix milliards de collisions par seconde et peut-être d’augmenter l’énergie de la machine de 10 à 20 % environ. Cette machine devrait donc fonctionner jusqu’en 2020 au moins.

La construction de cette machine a été un stimulant pour l’innovation. Les défis techniques ont été nombreux et finalement tous surmontés : supraconductivité et refroidissement par l’hélium superfluide sur un anneau de 27 km de circonférence, production de milliers d’aimants, électronique ultra-rapide pour traiter le milliard de collisions par seconde, électronique durcie permettant de supporter le niveau de radiation près des points de collision, traitement des données par une gigantesque infrastructure informatique rassemblant des dizaines de milliers d’ordinateurs répartis dans le monde entier et interconnectés.

La maîtrise de la sûreté de la machine est un souci constant. L’enjeu n’a rien à voir avec la création éventuelle de trous noirs. Les questions de sûreté sont liées à la radioactivité induite en fonctionnement normal, mais aussi en cas de problème et notamment en cas de perte de contrôle des faisceaux. Cette radioactivité n’a toutefois aucune mesure avec celle mise en jeu dans les centrales nucléaires. Néanmoins, le LHC est soumis aux mêmes réglementations et normes. Il est suivi par l’Autorité de sûreté nucléaire (ASN), comme l’était son prédécesseur, le LEP, qui n’a pas connu d’incident notoire.

Avec ce nouvel accélérateur, chaque collision produira des centaines, voire des milliers de particules. Les physiciens d’Europe et du monde entier travaillant au Cern ont le ferme espoir de pouvoir repérer parmi ces particules la trace d’une nouvelle particule, le boson de Higgs, particule essentielle et chaînon manquant du modèle standard de la physique des particules, dont on s’attend à ce qu’elle fournisse des indications essentielles permettant de comprendre enfin l’origine et la structure des masses des différentes particules élémentaires du modèle standard.

Le modèle standard des particules élémentaires est né à la fin des années 1960 et a toujours été confirmé depuis. Ce modèle des particules élémentaires, cohérent et stable, fait quasi consensus. Néanmoins, ce n’est pas une vérité absolue, on sait qu’il devra un jour être étendu, voire dépassé. Il comporte douze particules, qui sont les briques de la matière, impénétrables au sens quantique du terme. Ces particules, les quarks et les leptons, classées en trois familles, interagissent à travers quatre forces : la force électromagnétique, la force nucléaire faible, la force nucléaire forte et la force gravitationnelle. Les trois premières forces sont véhiculées par des particules, les bosons. Le modèle standard de la physique des particules réduit donc l’infinie diversité du monde qui nous entoure à seulement douze particules et quatre forces qui les font interagir entre elles. Dans le modèle standard, les forces électromagnétique et nucléaire faible sont décrites de manière unifiée en une force dite « électrofaible ». La gravité échappe à la description en termes quantiques. Elle est traitée de manière géométrique à travers les équations d’Einstein.

Les physiciens espèrent également du LHC la découverte d’un nouveau monde miroir, le monde des particules supersymétriques, dont l’observation nous permettra sans doute de mieux comprendre l’unification de la gravité avec les trois autres interactions fondamentales, qui a résisté jusqu’ici aux efforts de plusieurs générations de physiciens. Ces particules supersymétriques pourraient bien être la solution à l’énigme de la matière noire, qui semble représenter environ 85 % de la matière de l’Univers. Enfin, cette machine se donne aussi pour but de mieux comprendre les différences subtiles de comportement entre les particules et les antiparticules et d’apporter une pierre à la résolution de la question de la disparition de l’antimatière au cours de l’histoire de l’Univers.

Enfin, en accélérant et en faisant entrer en collision des noyaux de plomb (chacun des protons et des neutrons constituant ces noyaux de plomb ayant une énergie de 2 TeV), les physiciens espèrent mettre en œuvre un nouvel état de la matière, où les quarks et les gluons, prisonniers des protons et des neutrons dans les conditions ordinaires, deviendraient libres. Ces quarks et ces gluons pourraient ainsi voyager librement dans un volume environ quatre cents fois plus grand que celui constitué par les protons ou les neutrons dans lesquels ils sont ordinairement emprisonnés. Le LHC permettra d’accélérer des noyaux à des énergies dix fois supérieures à celles du RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) de Brookhaven, aux États-Unis, actuellemnt en opération, avec un taux de collisions cent fois supérieur.

Grâce à ces collisions de noyaux, le LHC reproduira en laboratoire sur un minuscule volume les conditions de température et de densité qui régnaient au tout début de l’histoire de l’Univers, environ un millième de milliardième de seconde (une picoseconde) après le big bang. Ce sont en effet les conditions les plus extrêmes de densité d’énergie jamais réalisées par l’homme, dans un volume qui reste toutefois encore très inférieur à celui d’un atome. Néanmoins, comme on le verra au chapitre suivant, ces conditions sont réalisées en abondance dans le cosmos à travers les collisions des rayons cosmiques qui arrosent en permanence la Terre comme les objets stellaires.

Ce projet a été conçu et réalisé sous la maîtrise d’œuvre du Cern qui a coordonné tous les efforts techniques. Organisation internationale européenne, le Cern est né en 1954 pour mettre en commun au niveau de l’Europe les moyens nécessaires pour construire les grandes machines de physique des particules, nécessaires pour rivaliser avec les États-Unis d’Amérique et l’Union soviétique. Les États membres de cette organisation sont les 27 États européens qui siègent au Conseil du CERN à travers leurs représentants délégués. Un deuxième cercle est constitué par les États observateurs au Conseil du Cern ayant contribué de manière significative à la réalisation de la machine : les États-Unis, l’Inde, le Pakistan, la Russie, Israël. Le Cern a par ailleurs conclu des accords spécifiques avec une trentaine de pays supplémentaires. Pour décider et construire cette machine, le LHC, au cours d’une période s’étendant sur plus d’une dizaine d’années, il a fallu l’enthousiasme et l’ingéniosité de la communauté scientifique mais aussi le soutien sans faille des politiques et des financeurs des États membres du Cern.