Si les physiciens des particules réussissent, de nouveaux accélérateurs pourraient un jour scruter la particule subatomique la plus curieuse de la physique, le boson de Higgs. Six ans après la découverte de cette particule au Grand collisionneur de hadrons, les physiciens prévoient d'énormes nouvelles machines qui s'étireront sur des dizaines de kilomètres en Europe, au Japon ou en Chine.
Nouveaux collisionneurs: ce qu'ils seront
La découverte de cette particule subatomique, qui révèle l'origine de la masse, a conduit à l'achèvement du modèle standard, la théorie globale de la physique des particules. Et il est également devenu une réalisation historique pour le LHC, actuellement le plus grand accélérateur du monde - après tout, il a été construit pour rechercher le boson de Higgs, mais pas seulement.
Désormais, les physiciens veulent approfondir les mystères du boson de Higgs dans l'espoir qu'il sera la clé pour résoudre les problèmes de longue date de la physique des particules. «Le Higgs est une particule spéciale», déclare le physicien Yifang Wang, directeur de l'Institut de physique des hautes énergies à Pékin. "Nous pensons que le Higgs est une fenêtre sur l'avenir."
Le grand collisionneur de hadrons, également connu sous le nom de LHC, constitué d'un anneau de 27 kilomètres de long, à l'intérieur duquel les protons accélèrent presque à la vitesse de la lumière et se heurtent des milliards de fois par seconde, a presque atteint sa limite. Il a fait un excellent travail pour trouver les Higgs, mais il ne convient pas pour une recherche détaillée.
Par conséquent, les physiciens des particules demandent un nouveau collisionneur de particules, spécialement conçu pour lancer des paquets de bosons de Higgs. Plusieurs conceptions ont été proposées pour ces nouvelles machines puissantes, et les scientifiques espèrent que ces usines de Higgs pourraient aider à trouver des solutions aux faiblesses flagrantes du modèle standard.
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«Le modèle standard n'est pas une théorie complète de l'univers», déclare la physicienne expérimentale des particules Galina Abramovich de l'université de Tel Aviv. Par exemple, cette théorie n'explique pas la matière noire, une substance non identifiée dont la masse est nécessaire pour rendre compte des observations cosmiques telles que le mouvement des étoiles dans les galaxies. Il ne parvient pas non plus à expliquer pourquoi l'univers est fait de matière, alors que l'antimatière est extrêmement rare.
Les partisans des nouveaux collisionneurs soutiennent qu'une étude attentive du boson de Higgs pourrait orienter les scientifiques sur la voie de la résolution de ces mystères. Mais parmi les scientifiques, le désir de nouveaux accélérateurs coûteux n'est pas soutenu par tout le monde. De plus, on ne sait pas exactement ce que de telles machines pourraient être trouvées.
Prochain dans la ligne
Le premier en ligne est l'International Linear Collider dans le nord du Japon. Contrairement au LHC, dans lequel les particules se déplacent dans un anneau, le MLC accélère deux faisceaux de particules en ligne droite, directement l'un sur l'autre, sur toute sa longueur de 20 kilomètres. Et au lieu de pousser les protons ensemble, il pousse les électrons et leurs partenaires d'antimatière, les positons.
Cependant, en décembre 2018, un comité interdisciplinaire du Conseil scientifique japonais s'est opposé au projet, exhortant le gouvernement à faire preuve de prudence avec son soutien et se demandant si les avancées scientifiques attendues justifiaient le coût du collisionneur, qui est actuellement estimé à 5 milliards de dollars.
Les partisans soutiennent que le plan de MLK pour faire entrer en collision des électrons et des positrons, plutôt que des protons, présente plusieurs avantages majeurs. Les électrons et les positrons sont des particules élémentaires, c'est-à-dire qu'ils n'ont pas de composants plus petits et les protons sont composés de particules plus petites - les quarks. Cela signifie que les collisions de protons seront plus chaotiques et créeront plus de débris de particules inutiles qui devront être tamisés.
De plus, dans les collisions de protons, seule une partie de l'énergie de chaque proton entre réellement dans la collision, tandis que dans les collisionneurs électron-positon, les particules transfèrent l'énergie totale dans la collision. Cela signifie que les scientifiques peuvent régler l'énergie de collision pour maximiser le nombre de bosons de Higgs produits. Dans le même temps, le MLK n'aura besoin que de 250 milliards d'électrons volts pour produire des bosons de Higgs, contre 13 trillions d'électrons volts au LHC.
Au MLK, «la qualité des données sera bien meilleure», déclare le physicien des particules Lyn Evans du CERN à Genève. Une collision sur 100 au MLK produira le boson de Higgs, tandis qu'au LHC, cela se produit une fois tous les 10 milliards de collisions.
Le gouvernement japonais devrait prendre une décision sur le collisionneur en mars. Evans dit que si le MLK est approuvé, sa construction prendra environ 12 ans. Plus tard, l'accélérateur peut également être amélioré pour augmenter l'énergie qu'il peut atteindre.
Le CERN envisage de construire une machine similaire, le collisionneur linéaire compact (CLIC). Il heurtera également des électrons et des positrons, mais à des énergies plus élevées que le MLK. Son énergie débutera à 380 milliards d'électrons volts et passera à 3 billions d'électrons volts dans une série de mises à jour. Pour atteindre ces énergies plus élevées, une nouvelle technologie d'accélération des particules doit être développée, ce qui signifie que CLIC n'apparaîtra pas avant le MLK, dit Evans, qui dirige la collaboration de recherche sur les deux projets.
Courir en cercle
Les deux autres collisionneurs prévus, en Chine et en Europe, seront aussi ronds que le LHC, mais beaucoup plus grands: chacun avec une circonférence de 100 kilomètres. C'est un cercle assez grand pour encercler le pays du Liechtenstein deux fois. C'est pratiquement la longueur du périphérique de Moscou.
Le collisionneur circulaire électron-positon, dont le chantier de construction en Chine n'a pas encore été déterminé, heurtera 240 milliards d'électrons et de positrons électron-volt, selon un plan conceptuel officiellement dévoilé en novembre et parrainé par Wang et l'Institut de physique des hautes énergies. Cet accélérateur pourrait plus tard être amélioré pour entrer en collision avec des protons de haute énergie. Les scientifiques disent qu'ils pourraient commencer à construire cette machine de 5 à 6 milliards de dollars d'ici 2022 et la terminer d'ici 2030.
Et au CERN, le futur collisionneur circulaire proposé, BKK, entrera également en service par étapes, faisant entrer en collision des électrons avec des positons, puis des protons. Le but ultime sera d'obtenir des collisions de protons à 100 billions d'électrons volts, soit plus de sept fois l'énergie du LHC.
Pendant ce temps, les scientifiques ont arrêté le LHC pendant deux ans, améliorant ainsi la machine pour qu'elle fonctionne à plus haute énergie. En 2026, le LHC avec une luminosité élevée commencera à fonctionner, ce qui augmentera la fréquence des collisions de protons d'au moins cinq fois.
Portrait de Higgs
Lorsque le LHC a été construit, les scientifiques étaient suffisamment confiants pour trouver le boson de Higgs avec lui. Mais avec les nouvelles machines, on ne sait pas quelles nouvelles particules rechercher. Ils catalogueront simplement à quel point le Higgs interagit avec d'autres particules connues.
Les mesures des interactions de Higgs peuvent confirmer les attentes du modèle standard. Mais si les observations diffèrent des attentes, l'écart peut indirectement indiquer la présence de quelque chose de nouveau, comme les particules qui composent la matière noire.
Certains scientifiques espèrent que quelque chose d'inattendu se produira. Parce que le boson de Higgs lui-même est un mystère: ces particules se condensent en un liquide ressemblant à de la mélasse. Pourquoi? Nous n'avons aucune idée, dit le théoricien des particules Michael Peskin de l'Université de Stanford. Ce fluide imprègne l'univers, ralentit les particules et leur donne du poids.
Un autre mystère est que la masse de Higgs est un million de milliards de moins que prévu. Cette bizarrerie peut indiquer qu'il existe d'autres particules. Les scientifiques pensaient auparavant pouvoir répondre au problème de Higgs à l'aide de la théorie de la supersymétrie - une consonne dont chaque particule a un partenaire plus lourd. Mais cela ne s'est pas produit, car le LHC n'a trouvé aucune trace de particules supersymétriques.
Les futurs collisionneurs peuvent encore trouver des preuves de supersymétrie ou faire allusion à de nouvelles particules, mais cette fois, les scientifiques ne feront pas de promesses. Ils sont maintenant plus occupés à définir des priorités et à argumenter en faveur de nouveaux collisionneurs et d'autres expériences en physique des particules. Une chose est sûre: les accélérateurs proposés exploreront des territoires inconnus avec des résultats imprévisibles.
Ilya Khel
