LHC : de nouveaux records et, peut-être, une future découverte

Avec le LHC, les physiciens traquent des réactions de production de particules exotiques qui sont très improbables. Pour augmenter leurs chances de les découvrir en un temps raisonnable, ils augmentent la luminosité des faisceaux. Récemment, ils ont battu de nouveaux records.

Le 23 mai 2017, la collecte de données liées aux collisions de faisceaux de protons a repris dans les détecteurs du LHC. Ces faisceaux avaient déjà fait leur retour dans le Grand collisionneur de hadrons depuis quelque temps déjà mais les chercheurs ne s’en servaient pas encore pour tenter de découvrir de la nouvelle physique, par exemple pour tenter de confirmer l’existence des anomalies qui intriguent les physiciens et qui pourraient indiquer que les bosons W’ ou Z’ de la théorie des supercordes existent bel et bien.

Accélérer des protons et s’en servir pour tenter de percer les secrets des arcanes du cosmos est loin d’être facile. Cela implique de nombreux casse-tête pour les ingénieurs qui veulent répondre aux demandes des physiciens. En effet, pour cela, il est nécessaire d’avoir des faisceaux de particules dont les trajectoires sont très précisément contrôlées, en temps et en position, alors que ces particules se déplacent presque à la vitesse de la lumière. Par ailleurs, ces faisceaux doivent être denses pour que le nombre de collisions soit élevé ; or, les répulsions électrostatiques entre les protons tendent à diluer les faisceaux. C’est le problème de la luminosité des faisceaux de particules qui est ici en cause.

S’ajoute à cela le problème de la montée en énergie nécessaire pour faire des découvertes. En effet, comme l’a montré Einstein, la masse est une mesure du contenu en énergie d’une particule. Cela veut dire que, si l’on veut créer dix protons avec une collision de deux protons (ou si l’on veut créer une particule nouvelle dont la masse est celle de dix protons), il faut que les deux protons de départ aient une énergie cinétique suffisamment élevée pour qu’elle puisse être transformée par la collision de ces particules.

LHC CERN

Le LHC, le plus puissant collisionneur de particules jamais réalisé par l’Homme (Source : CERN).

Malheureusement, il ne suffit pas d’avoir assez d’énergie pour observer la création de nouvelles particules. Car, du fait notamment des lois de la mécanique quantique, des probabilités de réactions entrent aussi en jeu. Ainsi, certaines réactions sont très peu probables, à tel point que si les physiciens faisaient, par exemple, une collision par seconde entre deux protons, il faudrait attendre un temps excédant de beaucoup la vie humaine pour pourvoir observer la création d’une seule nouvelle particule prédite par de la nouvelle physique. Cette probabilité peut également dépendre de l’énergie atteinte mais le paramètre sur lequel les chercheurs doivent le plus souvent jouer, une fois le seuil d’énergie de création atteint, est celui du nombre de collisions par seconde. Si celui-ci devient, par exemple, de plusieurs milliards de milliards, les chances d’observer quelque chose de nouveau sont augmentées.

Cette situation peut être comparée au temps de pose nécessaire pour obtenir une photo de bonne qualité : lorsque la luminosité de la source est faible, le temps de pose est long. Inversement, lorsque la luminosité de la source est importante (c’est-à-dire le flux de photons, donc la luminosité de ce flux), le temps de pose est court. Ce concept a été transposé à la physique des particules ; il est ainsi question de la « luminosité d’un faisceau ».

C’est d’autant plus approprié qu’il ne faut pas oublier que Louis de Broglie nous a montré, en découvrant théoriquement les ondes de matière, qu’il y avait aussi un aspect ondulatoire associé aux particules de matière, tout comme il y a un aspect corpusculaire associé aux ondes lumineuses. Dans le cas du LHC, les ingénieurs veulent sans cesse augmenter cette luminosité. Un récent communiqué fait état d’un nouveau record.

Il faut savoir que, pour diverses raisons, les faisceaux de particules sont constitués de paquets appelés des « bunches ». Augmenter la luminosité du LHC, cela veut dire augmenter le nombre de protons dans ces bunches et augmenter le nombre de paquets dans la circonférence du LHC.

Depuis la semaine dernière, les chercheurs peuvent produire dans le LHC des faisceaux avec 2.556 bunches contenant chacun environ 100 milliards de protons. Ces bunches sont espacés de 7 mètres et, étant donné leur vitesse, il en passe un toutes les 25 nanosecondes en un point du LHC. Deux records sont ainsi battus : celui du nombre de bunches par faisceau et celui du nombre de protons par bunches.

Le Cern ne compte pas en rester là. Ses membres planchent sur un successeur du Grand collisionneur de hadrons à haute luminosité, le HL-LHC. Si tout se passe comme prévu, la luminosité du nouveau LHC devrait être multipliée par 10 à l’horizon 2025. En pratique, cela signifie par exemple qu’il produira chaque année 15 millions de bosons de Brout-Englert-Higgs, contre 1,2 million produits par le LHC entre 2011 et 2012.

Source : Futura-Sciences

Vous pouvez consulter, sur le site d’Archipel des Sciences, la page Astronomie/Physique.

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