You are currently viewing Temps, expériences et recherche de physique inconnue

Temps, expériences et recherche de physique inconnue

Le 5 juillet, sous la banlieue de Genève, en Suisse, le plus grand collisionneur de particules du monde s’allumera et recommencera à collecter des données. Et ce qu’ils pourraient découvrir a le potentiel de faire exploser la physique des particules.

Après près de quatre ans d’arrêt, prolongés par des retards induits par Covid, le Large Hadron Collider (LHC) est sur le point de lancer sa troisième série d’expériences : appelée, succinctement, Run 3. Le CERN commémorera le lancement avec une diffusion en direct à 10h : 00 AM, heure de l’Est.

Les physiciens placent de grands espoirs dans le Run 3. Ils espèrent débloquer de nouvelles particules et de nouveaux mécanismes qu’ils n’ont jamais pu voir. Des recherches récentes en physique ont dévoilé une possible cinquième force et des défis pour le modèle standard de la physique. L’exécution 3 pourrait

Que fait le Grand collisionneur de hadrons ?

Le LHC est un collisionneur de particules. Le nom décrit avec précision ce que fait le LHC : il écrase des particules – généralement des protons, mais il peut également entrer en collision avec des particules plus grosses que les physiciens appellent des “ions lourds”. En règle générale, cela signifie des ions de plomb, l’élément non radioactif le plus lourd.

Pour ce faire, le LHC lance d’abord deux faisceaux de particules dans son anneau, voyageant dans des directions opposées. Ils tournent en rond, accélérés et guidés par des électroaimants puissants, jusqu’à atteindre une vitesse très proche de la lumière. Puis, après avoir pris de la vitesse, ils se heurtent de plein fouet.

L’expérience ALICE au CERN, qui traite des grands ions. Ronald Patrick/Getty Images Nouvelles/Getty Images

Ces collisions font que les entrailles des particules rapides – les plus petites particules qui fonctionnent comme leurs blocs de construction – se détachent. Certains s’entrechoquent. Et dans les conditions de haute énergie, de haute température et de haute extrême d’une collision, toutes sortes de particules étranges peuvent sortir des boiseries.

Les scientifiques étudient les détritus qui restent. Leurs détecteurs hautement sophistiqués peuvent parcourir les débris et trouver les traînées, les traces et les empreintes digitales que toutes ces particules laissent derrière elles.

Objectif du grand collisionneur de hadrons

Écraser des particules ensemble semble être une façon grossière d’apprendre à les connaître : un peu comme écraser des appareils électroniques complexes ensemble et espérer apprendre comment ils fonctionnent à partir des composants mutilés qui restent. Mais c’est la meilleure façon pour les physiciens d’examiner le monde quantique, à des échelles des millions de fois plus petites que celles des atomes.

Mais dans ces collisions, bon nombre de ces particules sont des fantômes, interagissant à peine avec le monde ou durant des fractions de seconde. En règle générale, ils passent inaperçus, même si vous les regardez avec des détecteurs très puissants. Mais les scientifiques peuvent trouver les signatures révélatrices de ces particules dans la soupe à haute énergie qui émerge un instant à l’intérieur d’un collisionneur de particules comme le LHC.

Les améliorations apportées au LHC au cours de l’arrêt ont augmenté son énergie, lui donnant encore plus de puissance pour dévoiler ce monde subatomique.

Grande taille du collisionneur de hadrons

Le LHC est un mastodonte. Il est logé dans un tunnel circulaire de 27 kilomètres (17 miles) de circonférence et de 4 mètres (13 pieds) de large, enterré à plusieurs étages sous terre. Depuis le siège du CERN dans la banlieue de Genève, ce tunnel passe sous les imposantes montagnes du Jura, le long de la frontière ondulante franco-suisse, et revient.

Le LHC est si grand parce que, avec plus de circonférence pour qu’un faisceau de particules puisse accélérer, les particules peuvent se rapprocher de plus en plus de la vitesse de la lumière et, par conséquent, transporter des énergies plus élevées. Avec des énergies plus élevées, les physiciens peuvent voir plus de particules lorsque les faisceaux entrent en collision.

Aussi massif que soit le LHC, les scientifiques n’ont pas peur de rêver encore plus grand. Si certains scientifiques réussissent, le LHC aura un futur successeur – un soi-disant futur collisionneur circulaire – qui a près de quatre fois la circonférence.

La grille de calcul du LHC, chargée de traiter les pétaoctets d’informations produits par les expériences.FABRICE COFFRINI/AFP/Getty Images

Découvertes de grands collisionneurs de hadrons

La découverte la plus médiatisée du LHC à ce jour est peut-être le boson de Higgs. Selon la physique des particules, cette particule fantomatique est un produit de ce qu’on appelle le champ de Higgs, qui donne de la masse à certaines particules, les bosons W et Z. Ces particules guident la force nucléaire faible qui régit certaines formes de radioactivité.

En trouvant le boson de Higgs, les physiciens des particules ont pu confirmer qu’une grande partie de leur théorie sur le fonctionnement de l’univers à des échelles minuscules était correcte. Mais le boson de Higgs est très instable, et l’observer doit faire face au fait qu’il se décomposera presque instantanément.

Le boson de Higgs a été proposé pour la première fois dès les années 1960, et depuis lors, les scientifiques l’ont recherché pendant des décennies jusqu’à ce qu’il soit finalement découvert en 2012 au LHC. En fait, la quête du boson de Higgs a été l’une des raisons pour lesquelles le LHC a été construit en premier lieu. Les collisionneurs de particules antérieurs n’avaient pas l’énergie nécessaire pour le trouver.

Même si les scientifiques ont trouvé un boson de Higgs, ils ne comprennent pas bien ses propriétés. Faire cela est sur leur liste de souhaits.

Quelles sont les nouvelles expériences du Large Hadron Collider ?

Il n’y a pas de * nouvelles * expériences en soi – mais elles s’appuient sur celles qui existent déjà à la recherche d’une physique inconnue.

Le LHC n’est pas qu’une grande expérience. Il héberge en fait plusieurs expériences. Chacun recherche des particules différentes ou examine une physique différente. Chacun a son propre détecteur situé quelque part le long de la boucle de l’accélérateur. Chacun est soutenu par des centaines de scientifiques du monde entier.

Il y en a quatre grands. ATLAS et CMS sont des expériences “à usage général”, examinant un large éventail de particules qui passent par l’examen minutieux de leurs détecteurs respectifs. Ces deux expériences ont trouvé le boson de Higgs.

Illustrations des détecteurs CMS et ATLAS. Tout sur l’espace Magazine/Future/Getty Images

ALICE espère étudier une phase originale de la matière connue sous le nom de «plasma quark-gluon», où les atomes fondent littéralement en une soupe super chaude. Les cosmologistes pensent que le plasma quark-gluon a dominé l’univers pendant un bref instant, au début de son histoire.

LHCb (abréviation de « beauté du LHC ») vise à examiner une particule particulière, appelée le quark de beauté. Les scientifiques pensent que le quark de beauté peut leur en apprendre davantage sur les différences entre la matière et son jumeau destructeur de charge opposée : l’antimatière. Lorsque la matière et l’antimatière se touchent, elles s’annihilent. Le Big Bang aurait dû créer de la matière et de l’antimatière en quantités égales, mais il semble avoir créé un excès de matière, la matière qui nous entoure. Ce déséquilibre n’a pas d’explication.

Il existe plusieurs petites expériences, dont beaucoup examinent d’autres particules spécifiques ou d’autres éléments de la physique.

Qu’espèrent découvrir les scientifiques du CERN ?

Depuis des décennies, la physique des particules vit et meurt selon ce que l’on appelle le modèle standard. C’est un schéma qui présente soigneusement les particules fondamentales de l’univers – 17 d’entre elles – et comment elles interagissent les unes avec les autres. Il régit trois des quatre forces fondamentales de l’univers : la force nucléaire forte, qui maintient les particules ensemble à l’intérieur du noyau d’un atome ; la force nucléaire faible, qui guide certaines formes de radioactivité ; et l’électromagnétisme.

Pendant des décennies, la physique des particules semble avoir presque toujours obéi aux prédictions du modèle standard — presque.

Les physiciens des particules sont de plus en plus convaincus que le modèle standard n’est pas tout. Il y a quelques curiosités que le modèle standard ne satisfait pas. Par exemple, le modèle ne répond pas à la quatrième force fondamentale : la gravité. Il n’a pas non plus (jusqu’à présent) donné de coupable satisfaisant pour la matière noire, qui est plus de cinq fois plus abondante que la matière « normale ».

Certaines de ces questions sans réponse ont amené les scientifiques à soupçonner qu’il existe une cinquième force fondamentale qui se cache quelque part. Une idée est que cette cinquième force est en quelque sorte liée à l’énergie noire, une forme mystérieuse d’énergie qui semble provoquer l’accélération de l’univers.

Certaines expériences ont fait allusion à des particules au-delà du modèle standard, peut-être les porteurs de la physique au-delà de la compréhension actuelle des scientifiques.

Récemment, des scientifiques se penchant sur d’anciennes données provenant d’un autre accélérateur de particules du laboratoire Fermi, dans la banlieue de Chicago, ont découvert qu’une particule, le boson W, avait une masse plus élevée que prévu. Cela semble mineur, mais c’est une grave violation du modèle standard. Les physiciens espèrent que le LHC pourra les aider à tester cela.

Leave a Reply