Le CERN en bref

Le CERN, l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, est l’un des plus grands et des plus prestigieux laboratoires scientifiques du monde. Il a pour vocation la physique fondamentale, la découverte des constituants et des lois de l’Univers. Il utilise des instruments scientifiques très complexes pour sonder les constituants ultimes de la matière : les particules fondamentales. En étudiant ce qui se passe lorsque ces particules entrent en collision, les physiciens appréhendent les lois de la Nature.

Les instruments qu’utilise le CERN sont des accélérateurs et des détecteurs de particules. Les accélérateurs portent des faisceaux de particules à des énergies élevées pour les faire entrer en collision avec d’autres faisceaux ou avec des cibles fixes. Les détecteurs, eux, observent et enregistrent le résultat de ces collisions.

Fondé en 1954, le CERN est situé de part et d’autre de la frontière franco-suisse, près de Genève. Il a été l’une des premières organisations à l’échelle européenne et compte aujourd’hui vingt États membres.

L’aventure subatomique

« L’imagination est plus importante que le savoir »

« L’imagination est plus importante que le savoir », disait Albert Einstein, qui ajoutait : « Le savoir est limité. L’imagination englobe le monde entier ».

Si vous voulez vous aventurer dans le monde subatomique pour en découvrir les mécanismes, il ne suffit pas de connaître les lois du monde macroscopique où nous vivons. Demandez plutôt à votre imagination de vous servir de guide, car nombre de règles que nous croyions connaître ne sont plus valables. Comme dans l’histoire d’Alice au pays des merveilles, ce nouveau monde peut sembler familier, mais il n’est pas totalement compréhensible. Les échelles changent, la matière se transforme. Des jumeaux fugaces apparaissent et des dimensions supplémentaires se cachent.

La Nature a cette capacité de nous réserver les plus grandes surprises, attendez-vous donc à ce que les choses prennent une tournure inattendue ! Avant vous, bien des esprits curieux ont élaboré des théories stupéfiantes et des concepts un peu fous, dont certains ont résisté à l’épreuve du temps et à l’assaut de critiques bien informés – jusqu’à présent, en tout cas.

Un jour, quelque part, quelqu’un pourrait réussir à dévoiler complètement ces mystères, voire récrire toute l’histoire. Rien n’est écrit dans le marbre.

La recherche au CERN

Une passerelle vers l’Univers

Le CERN est un laboratoire international qui met à disposition des physiciens des particules son savoir-faire et ses installations de pointe pour mener leurs recherches sur les composants élémentaires de l’Univers. Ces instruments de recherche, qui peuvent difficilement être développés en dehors d’une organisation internationale comme le CERN, sont des accélérateurs de particules, comme le Grand collisionneur de hadrons (LHC), et des installations produisant des formes exotiques de la matière, comme l’antimatière.

Le CERN s’est bâti une solide réputation en recherche fondamentale, grâce à ses expériences passées et présentes. Le CERN est un lieu de rencontre foisonnant de débats et de discussions, où la moitié des physiciens des particules du monde viennent mener leurs recherches. Les expériences du CERN sont essentiellement menées par des collaborations internationales qui rassemblent des équipes de physiciens du monde entier provenant de centaines d’instituts et collaborant dans un but commun de recherche fondamentale.

Les hommes et les femmes

Un esprit international

L’aventure de la science permet aux nations de s’unir en vue d’un but commun. De nombreuses expériences du CERN sont des collaborations internationales. Le Laboratoire accueille chaque année de nombreux physiciens venus des quatre coins du monde. Certains viennent pour un séminaire, d’autres restent des mois, voire des années à travailler sur une expérience.

Ces allées et venues permanentes ne sont pas seulement l’occasion de confronter de nouvelles idées pour la physique, elles permettent aussi une rencontre des cultures très enrichissante pour le Laboratoire. Grâce aux échanges entre chercheurs de toutes nationalités et aux visiteurs, les idées circulent et forment la sève du CERN.

Découvrez un aspect différent du CERN, vu par les yeux des nombreux physiciens et ingénieurs qui y travaillent, ou y ont fait un séjour mémorable. Lorsqu’ils nous racontent l’excitation de se trouver au cœur de l’action, ou qu’ils évoquent de précieux souvenirs de moments exceptionnels, ils nous donnent un éclairage personnel sur le CERN à une certaine époque, qui vient contribuer à former l’esprit intemporel du Laboratoire.

Recette pour confectionner un Univers

Prenez une explosion massive et convertissez-la en une abondance de poussière d’étoiles et une chaleur insoutenable. Laissez mijoter pendant une éternité sur un fond de micro-ondes cosmiques. Laissez les ingrédients se figer et servez froid avec des cultures d’organismes minuscules, 13,7 milliards d’années plus tard.

Pour identifier les « ingrédients de base » et le « mode de cuisson » du cosmos, du début des temps à nos jours, les physiciens des particules doivent essayer de refaire la recette de l’Univers. À l’intérieur de cette pâte complexe, des indices cryptés recèlent les instructions de la recette cosmique.

Cuisson à petit feu

Il y a plus de 13,7 milliards d’années, espace, temps et matière confondus naissaient d’une explosion incommensurablement puissante, le Big Bang. Il a suffi de quelques fractions de seconde pour que l’Univers, alors extrêmement chaud et dense, commence à refroidir et permette aux constituants de base de la matière, notamment les électrons et les quarks dont nous sommes tous constitués, de faire leur apparition. Quelque millionièmes de seconde plus tard, les quarks se sont rassemblés pour produire des protons et des neutrons, lesquels se sont regroupés, dans les trois minutes suivantes, constituant des noyaux.

Puis, au fur et à mesure que l’Univers poursuivait son expansion et son refroidissement, le rythme s’est ralenti. Il a ainsi fallu 380 000 ans pour que les électrons soient capturés dans l’orbite des noyaux, ce qui a donné naissance aux premiers atomes. Il s’agissait d’hélium et d’hydrogène, qui sont encore aujourd’hui les éléments les plus répandus dans l’Univers.

Quelque 1,6 millions d’années plus tard, c’est la gravité qui a pris le rôle dominant lorsque les nuages de gaz ont commencé à se transformer en étoiles et galaxies. Depuis, les atomes plus lourds qu’on retrouve dans la structure de tous les êtres vivants, notamment le carbone, l’oxygène et le fer, n’ont pas arrêté de « cuire » dans le cœur des étoiles et d’être remués avec le reste de l’Univers chaque fois qu’une étoile fait une fin spectaculaire sous la forme d’une supernova.

L’ingrédient mystérieux

Jusque là, tout va bien… pourtant, il y a un petit détail qui gêne : les différentes observations cosmologiques et astrophysiques ont montré que les éléments décrits plus haut ne représentent que 4% de l’Univers entier. Autrement dit, la nature de l’Univers n’est pas déterminée par les planètes ou les galaxies mais plutôt par le vide qui entoure celles-ci…

La majeure partie de l’Univers est constituée de substances invisibles que l’on appelle « matière noire » (26%) et « énergie sombre » (70%). N’émettant aucun rayonnement électromagnétique, elles ne sont détectables qu’à travers leurs effets gravitationnels. Leur nature et leur rôle dans l’évolution de l’Univers demeurent un mystère, mais cette obscurité recèle une physique fascinante, encore inexplorée, et qui va au–delà du modèle standard établi.

Vers une superforce

Notre compréhension du fonctionnement de l’Univers progresse souvent lorsqu’on découvre des liens entre des objets qui semblaient à première vue bien distincts. Ainsi, dans les années 1860, James Clerk Maxwell apercevait des similitudes entre électricité et magnétisme, ce qui le conduisait à élaborer sa théorie d’une force électromagnétique unifiée. Un siècle plus tard, autre avancée : les théoriciens commencent à établir un lien entre l’électromagnétisme, avec ses effets évidents dans la vie quotidienne, et la force faible, qui se cache, elle, à l’intérieur du noyau atomique. Ce lien a été confirmé, tout d’abord par l’expérience Gargamelle au CERN, puis par la découverte des particules W et Z(récompensée par un prix Nobel), vecteurs de la force électrofaible. Mais ne l’oublions pas : ce n’est qu’à des énergies très élevées, comme celles des collisions de particules réalisées et dans d’autres laboratoires que force électromagnétique et force faible commencent à agir à parts égales.

On peut donc se demander si, à des énergies encore plus élevées, certaines autres forces pourraient elles aussi s’unifier. Des expériences ont montré que l’effet de la force forte s’affaiblit à mesure que les énergies augmentent. Cela semble indiquer qu’à des énergies extrêmement élevées, les forces électromagnétique, faible et forte sont probablement indiscernables. Les énergies en cause sont au moins un million de fois plus élevées que ce que peuvent atteindre les accélérateurs de particules, mais ces conditions auraient existé au tout début de l’Univers, juste après le Big Bang (à 10-34 seconde). Poursuivant le raisonnement, les théoriciens envisagent même la possibilité, à des énergies encore plus élevées, de faire converger la gravité avec les autres forces, unifiant ainsi toutes les forces de la Nature en une seule « superforce ». Celle-ci aurait prévalu lors des premiers instants de l’Univers, avant que les différents composants se séparent au fur et à mesure que l’Univers refroidissait.

Superparticules

Bien qu’il soit impossible actuellement de recréer les conditions voulues avec des énergies suffisamment élevées pour pouvoir vérifier ces théories, on peut cependant chercher à comprendre les conséquences de cette « grande unification » à des énergies moins élevées, par exemple au Grand collisionneur de hadrons. Une idée très courue concernant cette unification est la supersymétrie, ou SUSY. SUSY prévoit une symétrie entre la matière et les forces, et prédit que pour chaque particule connue il existe un partenaire « supersymétrique ». Si la théorie est juste, les particules supersymétriques devraient apparaître dans des collisions au LHC.

 

Les côtés obscurs de l’Univers

Il est peut-être normal que nous ne sachions pas grand-chose sur la création de l’Univers — après tout, nous n’y étions pas. Mais à vrai dire, nous ne connaissons guère mieux l’Univers tel qu’il est aujourd’hui. En fait, les physiciens ont découvert que tout ce que nous voyons dans l’Univers — planètes, étoiles, galaxies — ne représente que 4% de celui-ci ! D’une certaine façon, ce n’est pas tant les choses visibles qui définissent l’Univers, mais plutôt le vide qui les entoure.

Les observations cosmologiques et astrophysiques indiquent que la plus grande partie de l’Univers est constituée de substances invisibles qui n’émettent aucun rayonnement électromagnétique — autrement dit, nous ne pouvons pas les détecter au moyen de télescopes ou d’autres instruments. Nous ne pouvons les détecter qu’à travers leurs effets gravitationnels, ce qui en rend l’étude très difficile. Ces substances mystérieuses sont appelées « matière noire » et « énergie sombre ». Leur nature et leur rôle dans l’évolution de l’Univers demeurent un mystère, mais cette obscurité recèle une physique fascinante, encore inexplorée, et qui sort du modèle standard établi.

Matière noire

La matière noire représente environ 23% de l’Univers. Le premier indice de son existence est apparu en 1933, lorsque des observations astronomiques et des calculs d’effets gravitationnels ont révélé qu’il devait y avoir plus de « choses » dans l’Univers que ce que pouvaient voir les télescopes.

Aujourd’hui, les scientifiques estiment que l’effet gravitationnel de la matière sombre fait tourner les galaxies plus vite que ne le prévoit le calcul de leur masse apparente, et que son champ gravitationnel dévie la lumière des objets qui sont derrière. Les mesures de ces effets montrent l’existence de la matière sombre, et peuvent être utilisées pour estimer sa densité, même si nous ne pouvons pas l’observer directement.

Mais quelle est la nature de la matière noire ? L’une des théories est qu’elle pourrait contenir des particules dites « supersymétriques », des particules hypothétiques qui correspondraient aux particules déjà connues dans le Modèle standard. Les expériences qui auront lieu au Grand collisionneur de hadrons permettront peut-être de les découvrir.

L’énergie sombre

L’énergie sombre constitue environ 73% de l’Univers et semble être associée au vide de l’espace. Elle est distribuée de façon homogène dans l’Univers, non seulement dans l’espace mais aussi dans le temps — autrement dit, son effet ne se dilue pas avec l’expansion de l’Univers.

Cette répartition égale signifie que l’énergie noire n’a pas d’effet gravitationnel local, mais plutôt un effet global sur l’Univers entier. Il en résulte une force répulsive qui tend à accélérer l’expansion de l’Univers. Le taux d’expansion et son accélération peuvent être mesurés par des expériences qui utilisent la loi de Hubble. Ces mesures, associées à d’autres données scientifiques, ont confirmé l’existence de l’énergie sombre et donnent une estimation de la quantité que représente cette substance mystérieuse.

Des dimensions secrètes

Dans la vie quotidienne, nous habitons un espace à trois dimensions : un grand « placard » comportant une hauteur, une largeur et une profondeur. Ce sont les dimensions que nous connaissons depuis des siècles. Plus surprenant, le temps peut être considéré comme une quatrième dimension, comme l’a montré Einstein. Mais alors même que nous commençons à nous habituer à l’idée d’un monde à quatre dimensions, certains théoriciens ont émis des prédictions plus folles que tout ce qu’Einstein avait pu imaginer.

La théorie des cordes suppose, bizarrement, l’existence de six dimensions supplémentaires, que nos sens ne peuvent percevoir. Elles seraient là, repliées sur elles-mêmes de façon si serrée que nous n’en avons jamais pris conscience.

Au-delà de la troisième dimension

Certains théoriciens ont exploité cette idée pour tenter d’élucider un mystère qui laisse les physiciens perplexes depuis un certain temps : pourquoi la gravité est-elle beaucoup plus faible que les autres forces fondamentales ? Le vecteur de cette force, le graviton, existe-t-il et où le trouver ? L’idée est que nous ne ressentons pas pleinement les effets de la gravité dans le monde de tous les jours. La gravité ne nous semblerait plus faible que parce que sa force serait diffusée dans d’autres dimensions spatiales.

Des preuves expérimentales seront nécessaires pour savoir si ces suggestions ne sont que le produit d’esprits à l’imagination débordante ou constituent une formidable avancée de la connaissance. Mais comment procéder ?

Des expériences à haute énergie pourraient « déplier » les dimensions cachées suffisamment pour permettre aux particules de circuler entre les le monde normal en 3 D et les autres dimensions. Cela pourrait se manifester par la disparition soudaine d’une particule passant dans une dimension cachée, ou par l’apparition inopinée d’une particule dans une expérience. Qui sait où une telle découverte pourrait nous mener ?

Le grand défi du minuscule

Voyage dans le minuscule

L’échelle de la physique des particules est si infinitésimale qu’elle est difficile à concevoir. Supposons qu’un atome ait la taille de la Terre ; les protons et les neutrons qui constituent le noyau de cet atome auraient alors chacun la longueur d’un stade olympique. Les quarks sont encore plus petits. Si nous reprenons notre atome hypothétique aussi grand que la Terre, alors un quark serait plus petit qu’une balle de tennis.

Cependant, cela ne nous donne pas une idée très précise de la taille de l’atome lui-même. Gardons toujours la même analogie en tête, mais inversons les rapports : si l’atome était de la taille de la Terre, alors une amibe serait aussi grosse que notre système solaire. Et la route qui mène du centre de Genève au CERN (environ 10 km) s’étendrait sur toute la Voie lactée.

Par conséquent, les physiciens auront beau plisser les yeux, ils ne verront jamais un quark à l’œil nu. La solution pour étudier le monde subatomique est d’utiliser des accélérateurs pour augmenter l’énergie des particules avant de les faire entrer en collision, puis de rendre les résultats indirectement visibles en utilisant des détecteurs. Mais pour comprendre pourquoi, nous devons nous pencher sur « E » et « m »…

Quand l’énergie devient matière

Imaginez que vous lanciez une balle contre une cible ; vous ne savez pas de quel type de balle il s’agit, mais vous voudriez bien le savoir. En fonction des caractéristiques de la cible percutée, de la vitesse à laquelle la balle a rebondi et de la trajectoire qu’elle a suivie en rebondissant, vous pourriez déduire, par exemple, qu’il s’agissait d’une petite balle en caoutchouc, ou bien d’un boulet de canon. Selon le même principe, l’accélérateur lance des particules à très haute vitesse et énergie, et les détecteurs fournissent des informations sur ces collisions. Les physiciens analysent les résultats de nombreuses collisions pour connaître la nature des particules étudiées, qu’ils ne peuvent pas observer directement.

Dans la pratique, cette tâche est loin d’être facile et nécessite parfois des instruments gigantesques et complexes. Pour ajouter à la difficulté, dans le monde étrange des particules, il suffit d’insuffler à ces « balles » suffisamment d’énergie pour qu’elles se transforment en quelque chose de complètement différent. Cela reviendrait à lancer une balle de ping-pong contre une cible et la voir se transformer en un chargement de pastèques et une poignée de perles… C’est ce phénomène que décrit la célèbre équation d’Einstein E=mc2, qui signifie que la matière est une forme très concentrée d’énergie et que les deux sont interchangeables.

Le subatomique, un travail de géant

Plus on met d’énergie dans les particules, plus on peut créer d’« objets » (de la masse) lors d’une collision. Les physiciens des particules s’intéressent aux particules créées dans des collisions à haute énergie, parce que certaines, rares et étranges, peuvent n’apparaître que pendant un instant fugace.

Utiliser des instruments de si grande taille pour examiner des objets si minuscules peut sembler très paradoxal.

L’étude de particules qui n’ont jamais été observées auparavant exige des accélérateurs d’une puissance sans précédent. Il faut donc construire des machines plus puissantes pour accélérer les particules à des énergies plus élevées. L’histoire de la physique des particules est jalonnée d’une succession d’accélérateurs et de détecteurs de plus en plus grands.

Outre les grands accélérateurs, le CERN construit des détecteurs géants pour analyser le résultat des expériences. Des détecteurs polyvalents, tels que ATLAS et CMS, sont conçus pour détecter un éventail de particules aussi large que possible. Leur taille gigantesque s’explique par le besoin d’intercepter toutes les particules énergétiques produites dans les collisions, ainsi que par les moyens techniques utilisés pour les identifier.

Infinitésimal, mais à quel point ?

Les particules sont tellement minuscules que, si l’on devait chiffrer leur taille, il faudrait de nombreux zéros après la virgule. Dès lors, comment les physiciens font-ils pour mesurer la taille des particules ?

En fait, les accélérateurs et les détecteurs peuvent aussi servir de « règles subatomiques ». Si nous voyons les objets, c’est parce que la lumière visible réfléchit leurs surfaces. Si les particules sont invisibles à l’œil nu, c’est parce que leur taille est plus petite qu’une « unité » (longueur d’onde) de lumière visible. Au début du XXe siècle, on a découvert que les particules en mouvement pouvaient aussi être considérées comme des ondes. Plus intéressant encore, les longueurs d’onde de ces particules en mouvement diminuent à mesure que l’énergie augmente, ce qui signifie que, pour pouvoir observer des détails un milliard de fois plus petits, il faut disposer de particules ayant une énergie un milliard de fois supérieure. Tel est le principe de base de l’utilisation des accélérateurs comme instrument de mesure du monde subatomique.