La physique du LHC

Des quarks aux particules encore inconnues, le CERN continue à explorer les nouvelles frontières de la physique. Grâce à certains des instruments les plus complexes jamais fabriqués en laboratoire, la nature peut révéler ses secrets intimes aux scientifiques.
 

La masse est la quantité de matière présente dans un objet. Newton nous a appris que le poids est proportionnel à la masse, et Einstein a démontré que l'énergie est liée à la masse grâce à sa célèbre équation : E = mc2. Pour ce qui est des particules élémentaires, les physiciens cherchent à répondre à une question absolument fondamentale : d'où vient la masse ?

Pourquoi les particules dont la structure est inconnue ont-elles une masse ? La réponse se trouve peut-être dans le « mécanisme de Higgs ». Selon cette théorie, l'Univers tout entier baignerait en permanence dans un milieu, appelé le champ de Higgs. Les particules obtiendraient donc leur masse en interagissant avec ce champ, celles qui interagissent fortement avec le champ de Higgs étant lourdes et celles qui interagissent faiblement étant légères. Le boson de Higgs serait la manifestation de ce champ sous la forme d'une particule. Et l'énergie des collisions du LHC est suffisamment élevée pour produire cette particule... si elle existe.

De l'antimatière est couramment produite dans des laboratoires tels que le CERN, mais aussi dans la nature, lorsque les rayons cosmiques entrent en contact avec l'atmosphère. Bien que la matière et l'antimatière aient été produites en quantités égales au moment du Big Bang, il semblerait que seule la matière ait survécu dans notre Univers.

Où toute l'antimatière du Big Bang est-elle passée ? Des différences de comportement entre la matière et l'antimatière pourraient permettre de répondre à cette question. De minuscules différences (les effets de violation de CP) ont déjà été observées lors d'expériences, mais ne peuvent à elles seules expliquer la disparition de l'antimatière. Le LHC possède des instruments parmi les plus perfectionnés qui existent pour chercher d'autres différences entre la matière et l'antimatière.

La gravité est vraisemblablement la plus connue des quatre forces fondamentales. Après tout, c'est grâce à elle que nous touchons le sol ! Cependant, si les expériences des physiciens ont permis de découvrir les particules associées aux autres forces de la nature, le graviton, la particule de la gravité, n'a pas encore été trouvée.

Des dimensions cachées pourraient-elles révéler le graviton ? L'Univers pourrait avoir d'autres dimensions que les quatre que nous connaissons : trois dimensions spatiales plus le temps. Des dimensions cachées pourraient être repliées sur elles-mêmes et être si minuscules qu'on ne puisse pas soupçonner leur existence. Certaines théories prédisent que les collisions de particules de haute énergie pourraient créer des gravitons, s'échappant dans ces dimensions cachées. Les expériences LHC pourraient démontrer l'existence de ces dimensions et permettre l'étude de gravitons de dimensions supérieures.

D'après les observations astronomiques, 96 % de l'Univers est inconnu. À 70 % environ, il serait constitué d'un nouveau type d'énergie, l'énergie noire, les 26 % restants étant composés de matière noire. Contrairement à la matière ordinaire, la matière noire n'émet pas de rayonnement. Elle ne peut donc pas être directement détectée par les instruments actuels.

De quoi est faite la matière noire de l'Univers ? Des particules très massives, restant encore à découvrir, pourraient expliquer ce mystère. L'une d'elles pourrait être le neutralino, la plus légère des particules « supersymétriques » qui, selon certaines prédictions, permettraient de résoudre plusieurs énigmes du modèle standard, la théorie qui reflète notre compréhension actuelle de la nature. Grâce à l'énergie élevée produite par le LHC, les expériences pourraient trouver des particules supersymétriques et démontrer l'existence du neutralino.

Les quarks sont les constituants connus les plus infimes de la matière. Enfouis au cœur des particules, ils sont les composants de base des protons et des neutrons, qui eux-mêmes constituent le noyau atomique. Il est impossible de les libérer à des températures normales, ce qui complique considérablement la tâche des physiciens qui les étudient.

Quelles sont les propriétés internes des quarks ? Lors d'une collision de haute énergie au LHC entre deux faisceaux de noyaux de plomb, la température sera 1 milliard de fois supérieure à celle régnant au centre du Soleil. Dans ces conditions, les quarks sont libérés et la matière prend la forme d'une sorte de soupe extrêmement chaude et dense, appelée plasma quark-gluon. Les physiciens du LHC étudient cet état de la matière, qui exista quelques instants après le Big Bang, sondant ainsi les propriétés fondamentales des quarks. Des expériences menées sur des collisions de protons aux énergies les plus élevées pouvant être atteintes par le LHC tenteront de découvrir si les quarks eux-mêmes contiennent des constituants encore plus fondamentaux.

par CERN Bulletin