Le nouveau projet du CERN est de construire un mécanisme qui sera presque quatre fois plus grand que le plus gros appareil existant. Mais à quoi ça sert exactement?
Le grand collisionneur de hadrons (LHC) est sans doute l'un des appareils les plus mystérieux au monde. Il se trouve dans un tunnel circulaire de 27 kilomètres de long à la frontière entre la France et la Suisse, et sa tâche principale est de percuter les plus petites particules de l'univers.
Ce mécanisme est devenu célèbre dans le monde entier en 2012, lorsque le CERN (Organisation européenne pour la recherche nucléaire) a annoncé la découverte du boson de Higgs. La théorie de l'existence de cette particule élémentaire est apparue il y a plusieurs décennies, les calculs mathématiques derrière le modèle standard des particules élémentaires supposaient qu'elle existe, mais personne ne pouvait la fixer avant l'expérience au LHC.
Et maintenant, le CERN parle de plans pour l'avenir. Des expériences avec l'aide du LHC ont été menées depuis 2009 avec des interruptions pour mettre à jour le mécanisme. Maintenant, juste une telle rupture, et le LHC sera lancé à nouveau en 2021, après quoi il fonctionnera encore plusieurs décennies.
Mais les projets existants sont si ambitieux que le CERN discute depuis plusieurs années d'une proposition visant à construire un successeur au LHC. Et maintenant, les employés de l'organisation sont prêts à parler de leur vision de l'avenir.
Désormais appelé Future Circular Collider (FCC), les plans de sa construction ont été annoncés en janvier 2019. Le BCC est beaucoup plus gros et plus puissant que l'accélérateur actuel. Bien qu'il ne s'agisse que d'un plan, il n'a pas encore été accepté. Si le plan est mis en œuvre, les expériences au BCC débuteront dans les années 2040.
Selon le CERN, le coût total de la construction s'élèvera à un peu plus de 200 milliards de couronnes (plus de 1,5 billion de roubles - environ Transl.). Les pays membres de l'organisation financeront le projet pendant plusieurs décennies. La Norvège est l'un des 22 pays membres du CERN et apportera environ 240 millions de couronnes (plus de 1,8 milliard de roubles) en 2019.
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Mais pourquoi avons-nous besoin d'un nouvel accélérateur de particules, ce que les scientifiques espèrent réaliser avec lui?
Tunnel long-long
Le LHC est posé dans le même tunnel que l'ancien accélérateur de particules, seul un nouveau remplissage y a été placé. Les travaux de l'ancien appareil ont été interrompus en 2000.
Mais un tout nouveau tunnel de 100 kilomètres de long sera construit pour le BCC. En raison de la longueur accrue de l'accélérateur de particules, les particules entreront en collision avec beaucoup plus de force.
«Pendant cent ans, la collision de petits morceaux de matière avec une grande force a peut-être été la méthode expérimentale la plus importante pour étudier la structure et la composition de la matière», déclare Anders Kvellestad, physicien des particules à l'Imperial College de Londres.
En effet, le plan du CERN prévoit la construction de plusieurs appareils dans le même tunnel, qui seront situés les uns après les autres. Le premier mécanisme fera entrer en collision des électrons et des positrons, et il peut être utilisé pour des mesures et des études plus précises, par exemple le boson de Higgs, dont on sait loin de tout.
Il sera également possible de détecter des traînées quantiques de particules inconnues complètement nouvelles sans faire d'observations directes.
Nouvelle physique?
En plus d'autres expériences impliquant les collisions d'électrons et de noyaux d'atomes de plomb, il est prévu plus tard de construire un mécanisme très puissant par lequel les protons entreront en collision avec des protons dans le tunnel.
«En physique des particules, la collision d'un proton avec un proton ressemble à un marteau, tandis que la collision d'un électron avec un positron peut être comparée à un petit marteau géologique. Le premier donne plus de puissance, tandis que le second est plus précis."
La puissance du faisceau de particules lui-même est mesurée en téraélectronvolts (TeV). Le LHC, long de 27 kilomètres, peut supporter 14 TeV, tandis que le nouvel accélérateur résistera à une puissance allant jusqu'à 100 TeV.
Des énergies plus élevées vous permettent "d'attirer" des particules plus massives, ce qui n'a peut-être pas été observé auparavant, et il est possible que les résultats de telles expériences donnent une idée d'une physique complètement nouvelle, explique Qvellestad.
Parce que l'univers est encore plein de choses que les scientifiques ne comprennent pas. Par exemple, il n'y a pas de réponse à la question de savoir ce que sont réellement l'énergie noire et la matière noire, bien qu'elles soient des concepts centraux dans notre compréhension actuelle de l'univers.
Il y a aussi un gros problème dans la physique moderne. La relativité générale et la théorie quantique des champs, qui décrit les particules élémentaires, ne coïncident pas. Il n'y a actuellement aucune explication pour la gravité elle-même, qui s'intègre dans les deux modèles.
Indépendamment de la façon dont vous le regardez, il manque quelque chose dans la compréhension de l'univers. De nombreuses explications sont proposées, mais les chercheurs ont besoin de preuves.
Et les physiciens espéraient que l'actuel accélérateur de particules du LHC fournirait une indication sur la nouvelle physique. Cela ne s'est pas encore produit, mais le LHC fonctionnera encore de nombreuses années.
«Nous savons maintenant tout sur certains écarts mineurs mais intéressants entre la théorie et la pratique dans les données existantes. Par conséquent, je m'attends à ce que les résultats du prochain cycle du LHC nous montrent si ces écarts sont une conséquence de la «nouvelle physique» ou sont-ils simplement des variations statistiques », déclare Kvellestad.
Mais il y a aussi des doutes sur les projets de construction de nouveaux accélérateurs de particules.
Cela fera-t-il vraiment quelque chose?
La physicienne allemande Sabine Hossenfelder est l'une des critiques de la proposition du MCC. Elle a écrit un livre sur la façon dont la physique se préoccupe trop de la «beauté» des équations.
Dans une chronique du New York Times, elle critique le projet, notamment, pour le fait que le CERN le propose avec les mêmes promesses faites avant la construction du LHC: trouver de la matière noire et clarifier l'origine de l'univers.
Le problème est qu’un tel résultat ne peut en aucun cas être garanti, dit Hossenfelder. Les physiciens étaient presque certains de trouver le boson de Higgs avec l'aide du LHC, mais ils n'ont plus de cibles aussi prometteuses.
La supersymétrie est une théorie qui prédit l'existence de plusieurs particules différentes qui pourraient combler les lacunes du modèle standard, mais ces particules n'ont pas encore été abordées dans les expériences.
Hossenfelder soutient que la physique devrait explorer d'autres possibilités pour le moment et qu'il vaut mieux attendre la construction d'un gros accélérateur, en se concentrant sur la question de savoir pourquoi les particules supposées ne sont pas apparues dans le LHC.
Si vous êtes intéressé, vous pouvez en savoir plus sur les critiques du projet sur son blog. Elle dit également que si, avec l'aide du LHC, dans les années à venir, il est vraiment possible de trouver quelque chose, alors la situation peut changer.
Recherche basique
«Après la découverte du boson de Higss, nous n'avons plus aucune« garantie »théorique que nous trouverons de nouvelles particules dans la prochaine génération d'expériences», déclare Anders Kvellestad. état de la recherche - quand personne ne sait ce qui peut être révélé dans la prochaine expérience."
"Il existe plusieurs exemples de découvertes dans l'histoire de la physique que personne ne prévoyait."
Kvellestad pense que même si les physiciens ne sont pas d'accord sur ce à quoi s'attendre de ces expériences, cela ne devrait pas être un argument contre la conduite de nouvelles expériences de grande envergure.
Grâce aux nouveaux accélérateurs de particules, les scientifiques pourront mieux étudier et mesurer les particules déjà connues, a déclaré Kvellestad.
Besoin de construire un mécanisme plus grand, mais pas maintenant?
«Il ne fait aucun doute que la voie future de la recherche en physique des particules passe par un mécanisme plus large», déclare Bjørn Samset, chercheur au Centre Cicero pour la recherche internationale sur l'environnement et le climat. Il est physicien élémentaire des particules de formation et a travaillé au CERN.
"La seule question est de savoir s'il est temps de le construire ou s'il vaut mieux se concentrer sur d'autres choses pour le moment."
Il pense également que la physique bénéficierait probablement davantage si d'autres projets étaient d'abord évalués plus en détail, ce qui pourrait aider à mieux comprendre ce que le nouvel appareil pourrait trouver exactement.
Samset cite la matière noire comme exemple.
"Beaucoup espéraient que le LHC disposerait de suffisamment d'énergie pour créer les particules dont la matière noire pourrait être constituée."
De nombreuses théories ont été avancées et certaines ont été réfutées, mais beaucoup doivent encore être vérifiées. La question est de savoir s'il ne serait pas préférable de se concentrer sur d'autres méthodes, telles que des capteurs spéciaux, avec lesquels vous pouvez capturer directement la matière noire.
Si le BCC est construit, cela n'arrivera pas de sitôt, mais Samset souligne qu'il est très important de discuter de tels projets à l'avance.
«Le danger d'attendre est la perte d'expérience. Les techniciens du CERN sont de vrais magiciens, ils font faire des choses incroyables à l'accélérateur. Si nous ne commençons pas à planifier le prochain projet maintenant, une grande partie de cette expérience pourrait être perdue."
En même temps, il estime que l'expérience peut être transférée dans le cadre d'autres projets. Mais il est convaincu que d'énormes accélérateurs seront encore construits.
"Un tel mécanisme devrait être construit, et il le sera, mais peut-être est-il encore trop tôt?"
Lasse Biørnstad
