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Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) est le plus grand collisionneur de particules au monde : une merveille de la physique moderne des particules qui a permis aux chercheurs de sonder les profondeurs de la réalité. En 2012, l’énorme atom smasher, un anneau souterrain de 16,5 miles de long (27 kilomètres) à la frontière de la France et de la Suisse, a permis aux chercheurs de trouver des preuves pour le célèbre Boson de Higgs et a depuis conduit à de nombreuses autres découvertes.
Combien de temps a-t-il fallu pour construire le Grand collisionneur de hadrons?
Les origines du LHC remontent à 1977, lorsque Sir John Adams, l’ancien directeur de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN), a suggéré de construire un tunnel souterrain pouvant accueillir un accélérateur de particules capable d’atteindre des énergies extraordinairement élevées, selon un document d’histoire de 2015 par le physicien Thomas Schörner-Sadenius.
Le projet a été officiellement approuvé 20 ans plus tard, en 1997, et la construction de l’anneau qui passait sous la frontière Français-suisse a commencé, capable d’accélérer les particules jusqu’à 99,99% de la vitesse de la lumière et de les briser ensemble. À l’intérieur de l’anneau, 9 300 aimants guident des paquets de particules chargées dans deux directions opposées à une vitesse de 11 245 fois par seconde, les rassemblant finalement pour une collision frontale. selon le CERN. L’installation est capable de créer environ 600 millions de collisions chaque seconde, crachant des quantités incroyables d’énergie et, de temps en temps, une particule lourde exotique et jamais vue auparavant. Le LHC fonctionne à des énergies 6,5 fois supérieures à celles de l’accélérateur de particules record précédent, le Tevatron déclassé du Fermilab aux États-Unis.
La construction du LHC a coûté au total 8 milliards de dollars, dont 531 millions provenaient des États-Unis. Plus de 8 000 scientifiques de 60 pays différents collaborent à ses expériences. L’accélérateur a allumé ses faisceaux pour la première fois le 10 septembre 2008, entrant en collision avec des particules à seulement un dix millionième de son intensité de conception initiale. Il s’est éteint en 2018 pour les mises à niveau, et rallumé le 22 avril 2022, avec une puissance plus élevée et le double du taux de collision. L’objectif est d’augmenter l’énergie des collisions à un record de 13,6 TeV.
Le Grand collisionneur de hadrons pourrait-il détruire le monde ?
Avant qu’il ne commence ses opérations, on craignait que le nouvel écraseur d’atomes ne détruise la Terre, peut-être en créant un trou noir dévorant. Mais n’importe quel physicien de bonne réputation affirmerait que de telles inquiétudes sont infondées.
« Le LHC est sûr, et toute suggestion qu’il pourrait présenter un risque est une pure fiction », Robert Aymar, directeur général du CERN précédemment raconté à Live Science.
Cela ne veut pas dire que l’installation ne pourrait pas être potentiellement nocive si elle était mal utilisée. Si vous deviez coller votre main dans le faisceau, qui concentre l’énergie d’un porte-avions en mouvement jusqu’à une largeur de moins d’un millimètre, il ferait un trou à travers lui et le rayonnement dans le tunnel vous tuerait.
Qu’a trouvé le LHC ?
Au cours des 10 dernières années, le LHC a brisé des atomes ensemble pour ses deux expériences principales, ATLAS et CMS, qui exploitent et analysent leurs données séparément. Il s’agit de s’assurer qu’aucune des deux collaborations n’influence l’autre et que chacun fournit un contrôle sur son expérience sœur. Les instruments ont généré plus de 2 000 articles scientifiques sur de nombreux domaines de la physique fondamentale des particules.
Le 4 juillet 2012, le monde scientifique a regardé avec impatience les chercheurs du LHC annoncer la découverte du boson de Higgs, la dernière pièce du puzzle d’une théorie vieille de cinq décennies appelée le Modèle standard de la physique. Le Modèle standard tente de tenir compte de toutes les particules et forces connues (à l’exception de la gravité) et de leurs interactions. En 1964, le physicien britannique Peter Higgs a écrit un article sur la particule qui porte maintenant son nom, expliquant comment la masse apparaît dans l’univers.
Le Higgs est en fait un champ qui imprègne tout l’espace et traîne sur chaque particule qui le traverse. Certaines particules se déplacent plus lentement dans le champ, ce qui correspond à leur plus grande masse. Le boson de Higgs est une manifestation de ce domaine, que les physiciens poursuivaient depuis un demi-siècle. Le LHC a été explicitement construit pour finalement capturer cette carrière insaisissable. Finalement, constatant que le Higgs avait 125 fois la masse d’un proton, Peter Higgs et le physicien théoricien belge François Englert ont reçu le Prix Nobel de physique en 2013 pour avoir prédit son existence.
Même avec le Higgs en main, les physiciens ne peuvent pas se reposer parce que le Modèle standard a encore quelques trous. D’une part, il ne traite pas de la gravité, qui est principalement couverte par les théories de la relativité d’Einstein. Cela n’explique pas non plus pourquoi l’univers est fait de matière et non d’antimatière, qui aurait dû être créée en quantités à peu près égales au début des temps. Et il est entièrement silencieux sur la matière noire et l’énergie noire, qui n’avaient pas encore été découvertes lors de sa création.
Avant l’activation du LHC, de nombreux chercheurs auraient dit que la prochaine grande théorie est celle connue sous le nom de supersymétrie, qui ajoute des partenaires jumeaux similaires mais beaucoup plus massifs à toutes les particules connues. Un ou plusieurs de ces partenaires lourds auraient pu être un candidat parfait pour les particules composant matière noire. Et, la supersymétrie commence à maîtriser la gravité, ce qui explique pourquoi elle est tellement plus faible que les trois autres forces fondamentales. Avant la découverte du Higgs, certains scientifiques espéraient que le boson finirait par être légèrement différent de ce que le Modèle standard avait prédit, faisant allusion à une nouvelle physique.
Mais lorsque le Higgs est apparu, c’était incroyablement normal, exactement dans la gamme de masse où le modèle standard avait dit qu’il serait. Bien qu’il s’agisse d’une grande réussite pour le Modèle standard, elle a laissé les physiciens sans aucune bonne piste pour continuer. Certains ont a commencé à parler de les décennies perdues à la recherche de théories qui semblaient bonnes sur le papier mais qui ne semblent pas correspondre à des observations réelles. Beaucoup espèrent que les prochaines prises de données du LHC aideront à éclaircir une partie de ce gâchis.
Que fait le LHC actuellement ?
Le LHC a fermé ses portes en décembre 2018 pour passer par deux ans de mises à niveau et de réparations. Le plan de redémarrage de l’installation a été retardé par le début de la pandémie de COVID-19. D’après CERN. Enfin, le 22 avril 2022, le LHC a commencé à se préparer à explorer à nouveau la pointe de la physique des particules. L’anneau du collisionneur géant s’est allumé après sa sieste de trois ans, et est maintenant plus puissant que jamais, Live Science rapporté. L’accélérateur sera capable de briser des atomes avec une légère augmentation d’énergie mais au double du nombre de collisions par seconde.
Les données des précédentes séries du LHC ont été utilisées pour repérer neutrinos fantomatiques à l’intérieur de la machine pour la toute première fois, mystérieux primordial ‘Particules X’ de la nuit des tempset un schéma étrange qui ne peut pas être expliqué par notre compréhension actuelle de l’univers.
Dans la nouvelle série, appelée Run 3, deux nouvelles expériences seront mises en ligne : FASER et SND@LHC. Avec ces expériences à l’intérieur du LHC, les physiciens chercheront la physique « au-delà du Modèle standard ». En outre, des collisions spéciales proton-hélium montreront à quelle fréquence les antiprotons sont produits pour expliquer pourquoi la matière a dépassé l’univers; les collisions impliquant des ions oxygène devraient éclairer les rayons cosmiques et un état de la matière appelé plasma quark-gluon qui aurait existé juste après le Big Bang.
Et bien sûr, on parle déjà d’un accélérateur de particules encore plus puissant pour le remplacer, situé dans la même zone mais quatre fois la taille du LHC. L’énorme remplacement pourrait prendre 20 ans et 27 milliards de dollars à construire
Ressources additionnelles
Note de la rédaction : Cet article a été mis à jour le 25 avril 2022.
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