Où va la physique des particules élémentaires ?

La phy­sique des par­ti­cules occupe près de 20 000 per­sonnes dans le monde, dont 13 000 tra­vaillent pour le CERN. La mise en évi­dence du boson « de Higgs » en 2012 a consti­tué une confir­ma­tion écla­tante du « modèle stan­dard », mais a per­mis aus­si de lis­ter toutes les ques­tions qui res­tent ouvertes. Le LHC devrait res­ter en ser­vice jus­qu’à 2035, en voyant ses per­for­mances aug­men­ter régu­liè­re­ment. L’exploration des pro­prié­tés des neu­tri­nos se pour­suit notam­ment aux États-Unis, au Japon 

La phy­sique des par­ti­cules ou phy­sique sub­ato­mique est la branche de la phy­sique qui étu­die les consti­tuants élé­men­taires de la matière et les rayon­ne­ments, ain­si que leurs interactions. 

La recherche en phy­sique des par­ti­cules, c’est aujourd’hui une com­mu­nau­té de près de 20 000 cher­cheurs du monde entier. Les uns ont un pro­fil plus tour­né vers les aspects théo­riques, d’autres vers un aspect expé­ri­men­tal et d’autres sont des ingé­nieurs de recherche. 

Ces recherches se font prin­ci­pa­le­ment auprès d’accélérateurs : aux États-Unis sur les neu­tri­nos, des par­ti­cules énig­ma­tiques et « passe muraille » (envi­ron 2 000 cher­cheurs) ; en Asie (1 500 cher­cheurs envi­ron), notam­ment au Japon là aus­si sur les neu­tri­nos mais aus­si sur les dif­fé­rences de com­por­te­ment entre par­ti­cules et anti­par­ti­cules ; mais sur­tout au Cern à Genève où viennent tra­vailler près de 13 000 cher­cheurs du monde entier dont 11 500 sur le LHC (Large Hadron Col­li­der), la machine qui four­nit des col­li­sions pro­ton – pro­ton mais aus­si plomb – plomb (pour étu­dier les effets col­lec­tifs) aux plus hautes éner­gies jamais atteintes avec des accélérateurs. 

Il est à noter que plus de 3 000 cher­cheurs de par le monde font de la phy­sique des par­ti­cules sans accé­lé­ra­teurs (sur les neu­tri­nos, les rayons cos­miques et la cos­mo­lo­gie obser­va­tion­nelle à tra­vers la recherche de la nature de la matière sombre et de la constante cos­mo­lo­gique ou éner­gie du vide). 

UN SUCCÈS DE LA « COOPÉTITION »

La construc­tion du LHC et des détec­teurs, ATLAS, CMS (détec­teurs géné­ra­listes), LHCb (foca­li­sé sur les dif­fé­rences de com­por­te­ment entre par­ti­cules et anti­par­ti­cules), ALICE (foca­li­sé sur les col­li­sions Pb-Pb), a entraî­né des défis majeurs qui n’ont pu être sur­mon­tés qu’après l’approbation de la machine et des expé­riences, ce qui consti­tuait un pari audacieux. 

Ce n’est que grâce à un type ori­gi­nal d’organisation, basé sur la col­la­bo­ra­tion inten­sive du Cern avec les labo­ra­toires natio­naux et uni­ver­si­taires du monde entier, avec la par­ti­ci­pa­tion d’industriels dès la concep­tion, que ces défis ont pu être sur­mon­tés : hauts champs magné­tiques, cryo­gé­nie, méca­nique de pré­ci­sion, élec­tro­tech­nique, élec­tro­nique résis­tante aux radia­tions, trai­te­ments mas­sifs des don­nées, contrôle com­mande, simu­la­tions géantes, outils col­la­bo­ra­tifs inno­vants, logi­ciels com­plexes, outils col­la­bo­ra­tifs inno­vants, etc. 

Ce modèle qu’on appelle au Cern « la coopé­ti­tion », mélange de col­la­bo­ra­tion et d’émulation, est un modèle ouvert qui pour­rait être expor­table, mais c’est un autre sujet… 

C’est donc, par beau­coup de cri­tères, le plus grand effort col­la­bo­ra­tif jamais réa­li­sé, l’une des plus grandes aven­tures scien­ti­fiques humaines. Conçu en 1984, approu­vé par le Conseil du Cern en 1994, le LHC a démar­ré en 2010 et devrait fonc­tion­ner jusqu’en 2035. 

Il a fal­lu et il faut tou­jours une chaîne de soli­da­ri­té mul­ti­la­té­rale sans faille et dans la durée entre la com­mu­nau­té scien­ti­fique, le sou­tien de leurs labo­ra­toires, de leurs agences finan­cières et de leurs gouvernements. 

Les Amé­ri­cains qui avaient un pro­jet simi­laire, le SSC, n’ont pu tenir la durée et l’ont stop­pé de manière uni­la­té­rale, par une déci­sion du Congrès en 1993. 

LE « MODÈLE STANDARD », NOUVEAU PALIER DE LA CONNAISSANCE

Comme expli­qué dans l’encadré Repères , le modèle stan­dard rend compte des obser­va­tions faites dans les grands accé­lé­ra­teurs de par­ti­cules. Dans ce modèle, c’est une bri­sure spon­ta­née de la symé­trie élec­tro­faible SU(2) x U(1) qui génère la masse des particules. 

Cette pro­prié­té de masse peut être attri­buée aux pro­prié­tés du vide quan­tique et du champ de Brout, Englert et Higgs. À ce champ est asso­ciée une par­ti­cule, abu­si­ve­ment appe­lée le boson de Higgs. 

Tout ce que l’on savait, c’est que sa masse devait être infé­rieure à 1 TeV/c² (1 TeV = 10¹² eV, c : vitesse de la lumière), et donc acces­sible au LHC qui col­li­sionne des pro­tons, cha­cun de plu­sieurs TeV d’énergie. Le boson de Brout, Englert et Higgs consti­tuait donc la pierre angu­laire du modèle stan­dard et seul le LHC pou­vait répondre de manière non ambi­guë sur son exis­tence ou non. D’où la déci­sion de le construire. 

Le site du Cern : on peut voir en jaune la trace au sol de la machine sou­ter­raine LHC ain­si que la trace des injec­teurs. Sont mon­trées aus­si une coupe de cette machine ain­si qu’une coupe des détec­teurs qui ont la taille de cathédrales.
© MAXIMILIEN BRICE, MICHAËL HOCH, CLAUDIA MARCELLONI / CERN

DES IMPLICATIONS POUR LA COSMOLOGIE

Le nou­veau palier de la connais­sance atteint avec le modèle stan­dard de la phy­sique des par­ti­cules per­met de construire un nou­veau récit conso­li­dé de l’histoire de l’univers obser­vable. Tout l’univers obser­vable était concen­tré en une toute petite région (« un point ? »), il y a 13,8 mil­liards d’années.

En un ins­tant très bref (10^-35 s), « le big-bang », une éner­gie issue du vide (fluc­tua­tion quan­tique ?), « fait jaillir l’espace et le temps », et se trans­forme en une soupe de par­ti­cules très chaude, indif­fé­ren­ciée et de masse nulle. 

L’expansion de l’espace fait refroi­dir cette soupe. Quelques pico­se­condes (10^-12 s) plus tard, lorsque la tem­pé­ra­ture baisse en des­sous de 1 TeV, le vide quan­tique connaît une tran­si­tion de phase avec une bri­sure spon­ta­née de symé­trie liée au champ de Brout, Englert et Higgs : la bri­sure de la symé­trie électrofaible. 

Les par­ti­cules deviennent mas­sives et se dif­fé­ren­cient. C’est à ce moment que le pho­ton, donc la lumière, se différencie. 

ET LA LUMIÈRE FUT… 

Quelques micro­se­condes (10^-6 s) plus tard, les quarks et les gluons se regroupent en pro­tons et neu­trons. Quelques minutes plus tard, les noyaux se forment et au bout de 380 000 ans les atomes se forment. 

À cet ins­tant l’univers devient une soupe d’atomes élec­tri­que­ment neutre. Il est alors trans­pa­rent (aupa­ra­vant c’était un plas­ma char­gé), et la lumière peut ain­si voya­ger libre­ment et par­ve­nir jusqu’à nous. 

Cette image de l’univers pri­mor­dial, « le fond du ciel », due à une soupe d’atomes en for­ma­tion a été recons­ti­tuée récem­ment avec pré­ci­sion par le satel­lite Planck. Elle est extrê­me­ment homo­gène avec des contrastes de seule­ment quelques 10^-5. Ces contrastes néan­moins sont la source de la struc­tu­ra­tion de l’univers qui sui­vra au cours des 13,8 mil­liards d’années et prennent sans doute leur source dans les fluc­tua­tions quan­tiques du vide d’où l’univers obser­vable aujourd’hui a surgi. 

On pour­rait, à la lec­ture de ce qui pré­cède, pen­ser que toutes les ques­tions fon­da­men­tales concer­nant la matière et l’univers sont réso­lues. Il n’en est rien. Voi­ci une liste de ques­tions fon­da­men­tales qui pré­oc­cupent gran­de­ment phy­si­ciens et astrophysiciens. 

LA MATIÈRE SERAIT-ELLE SURTOUT « SOMBRE » ?

L’analyse des mou­ve­ments des galaxies dans les amas de galaxies et des mou­ve­ments des étoiles et du gaz dans les galaxies indique la pré­sence de halos mas­sifs consti­tués d’une matière pesante qui n’est pas la matière connue faite des atomes de la table de Mendeleïev. 

Cette matière sombre por­te­rait cinq fois plus de masse dans l’univers que n’en por­te­rait la matière ordi­naire faite des atomes connus, c’est-à-dire que n’en por­te­raient les étoiles, les pla­nètes et le gaz que l’on peut voir dans l’univers.

L’hypothèse la plus répan­due est que cette matière serait faite d’un nou­veau type de par­ti­cules élé­men­taires, neutres élec­tri­que­ment et inter­agis­sant fai­ble­ment. Ces par­ti­cules sont acti­ve­ment recher­chées auprès du LHC mais aus­si dans notre envi­ron­ne­ment puisque nous bai­gnons dans leur halo. 

POURQUOI CES DIFFÉRENCES D’ÉCHELLE DE MASSE/ ÉNERGIE ?

Pour­quoi deux échelles aus­si dif­fé­rentes dans l’histoire de l’univers : l’échelle de l’inflation, du big-bang ini­tial de 10¹² TeV et l’échelle élec­tro­faible de bri­sure de symé­trie liée au méca­nisme de Brout, Englert et Higgs de l’ordre de 1 TeV ? Y a‑t-il une expli­ca­tion à cette hié­rar­chie des échelles ? C’est ce que pro­pose la super­sy­mé­trie, une symé­trie entre fer­mions et bosons qui lais­se­rait à pen­ser que chaque fer­mion connu a un par­te­naire boso­nique à décou­vrir et chaque boson connu a un par­te­naire fer­mio­nique à découvrir. 

La plus légère de ces par­ti­cules miroirs devrait être stable et pour­rait consti­tuer la matière sombre. Là encore, ces par­ti­cules sont acti­ve­ment recher­chées au LHC. 

CONSTANTE COSMOLOGIQUE ET ÉNERGIE DU VIDE

On ne sait pas aujourd’hui trai­ter la gra­vi­ta­tion par la théo­rie quan­tique des champs rela­ti­vistes, mais il est ten­tant d’associer la constante cos­mo­lo­gique à l’énergie du vide quantique. 

Les dif­fé­rentes valeurs de la constante cos­mo­lo­gique dans l’histoire de l’univers seraient alors dues à des tran­si­tions de phase du vide quan­tique, du type de celle induite par le méca­nisme de Brout, Englert et Higgs. C’est un champ de contro­verse et d’études aujourd’hui.

Image de l’univers lorsqu’il n’était « qu’une soupe » d’atomes en for­ma­tion, image du « fond du ciel » vue par le satel­lite Planck.
© ESA AND THE PLANCK COLLABORATION

OÙ EST DONC PASSÉE L’ANTIMATIÈRE ?

Aus­si loin que l’on scrute l’univers, on n’y voit que de la matière et du rayon­ne­ment. Pas de trace d’antimatière, pas « d’antiétoiles ». Pour­tant, dans les col­li­sions de par­ti­cules, l’énergie se trans­forme en autant de par­ti­cules que d’antiparticules.

Les anti­par­ti­cules ont les mêmes masses que les par­ti­cules, inter­agissent de la même manière mais avec des charges oppo­sées. Si l’univers obser­vable a jailli d’une éner­gie qui s’est maté­ria­li­sée en une soupe de par­ti­cules, il devrait y avoir autant de par­ti­cules que d’antiparticules et donc autant de matière que d’antimatière.

VERS LA GRAVITÉ QUANTIQUE

Comme indi­qué pré­cé­dem­ment, l’unification de la force de gra­vi­ta­tion avec la théo­rie quan­tique reste à faire. De nom­breuses ten­ta­tives ont été et sont entre­prises mais aucune ne s’est impo­sée jusqu’ici.

Sou­vent ces ten­ta­tives font appel à de nou­velles dimen­sions repliées et cachées aux­quelles les col­li­sions de haute éner­gie pour­raient avoir accès. C’est encore un sujet d’étude au LHC. 

La décou­verte récente des ondes gra­vi­ta­tion­nelles per­met­tra peut-être un pas vers la gra­vi­té quan­tique de la même manière que la décou­verte des ondes élec­tro­ma­gné­tiques a été un pas vers la décou­verte du photon. 

HASARD, NÉCESSITÉ ET ÉMERGENCE

Enfin, et à la limite des spé­cu­la­tions méta­phy­siques, cer­tains s’interrogent sur le fait de savoir si cer­tains aspects de l’univers obser­vable et de son his­toire sont dus au hasard ou à des lois qui res­tent à décou­vrir à cause des ajus­te­ments fins néces­saires pour décrire cer­tains phé­no­mènes, en l’absence de nou­velle loi contraignante. 

LES PERSPECTIVES DE DÉCOUVERTES JUSQU’EN 2035

Le LHC conti­nue­ra à opé­rer jusqu’en 2035. Le taux de col­li­sions sera constam­ment accru grâce à des amé­lio­ra­tions tech­no­lo­giques. D’ici 2035, le LHC devrait pro­duire cent fois plus de col­li­sions qu’il n’en a pro­duits aujourd’hui. Son éner­gie sera aus­si légè­re­ment augmentée. 

Cela devrait per­mettre peut-être de décou­vrir de nou­velles par­ti­cules, signal d’une nou­velle phy­sique au-delà du modèle stan­dard ou de faire des mesures de pré­ci­sion (notam­ment sur les modes de dés­in­té­gra­tion du boson de Brout, Englert et Higgs) qui pour­ront être confron­tées aux pré­dic­tions du modèle stan­dard et peut-être le mettre en défaut. 

En paral­lèle, l’exploration des pro­prié­tés des neu­tri­nos, notam­ment aux États-Unis, au Japon, se pour­sui­vra. Les recherches sur les dif­fé­rences de com­por­te­ment entre les par­ti­cules et anti­par­ti­cules se pour­sui­vront à la fois au Japon et au LHC au CERN. 

Enfin la recherche et l’identification de la matière sombre dans notre envi­ron­ne­ment sont et seront l’objet d’études à tra­vers le monde. 

L’APRÈS 2035

En 2020–2025, avec tous les résul­tats dis­po­nibles à ce moment, il sera sans doute temps d’envisager quelle machine pour­rait suc­cé­der au LHC pour four­nir ses pre­mières col­li­sions vers 2040 : un col­li­sion­neur linéaire élec­tron-posi­tron de quelques TeV pour étu­dier avec pré­ci­sion des par­ti­cules nou­velles qu’on aurait trou­vées au LHC ? Ou un futur col­li­sion­neur cir­cu­laire de 100 km de cir­con­fé­rence, avec les tech­no­lo­gies les plus déve­lop­pées du moment, pour atteindre 100 TeV, près de dix fois plus que l’énergie atteinte au LHC, pour ouvrir une nou­velle fenêtre sur l’infiniment petit (une alter­na­tive pour­rait être de réuti­li­ser le tun­nel du LHC, mais on attein­drait une éner­gie moindre) ? 

Ou encore une machine basée sur des nou­velles tech­niques d’accélération (les lasers et les plas­mas semblent les plus prometteurs) ? 

Dans tous les cas une telle machine néces­si­te­ra une moti­va­tion scien­ti­fique forte por­tée par une com­mu­nau­té mon­diale (comme c’était le cas pour le LHC), des défis tech­no­lo­giques (qui pré­sentent un inté­rêt pour la socié­té), un coût abor­dable et une accep­ta­bi­li­té environnementale. 

À titre per­son­nel, j’espère sur­tout que cette aven­ture de la connais­sance sera pérenne : c’est une part d’infini que nous avons en nous. 

D’ici 2035, le LHC devrait pro­duire cent fois plus de col­li­sions qu’il n’en a pro­duits aujourd’hui.
© DOMINGUEZ, DANIEL ; BRICE, MAXIMILIEN / 2015–2016 CERN

Le Cern et le boson de Higgs, par Michel Spiro (11 min.)

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