10 Septembre 2008, il est 10h28 à  Prévessin en France, près de la frontière suisse, à  quelques kilomètres de Genève. Tout à  coup, un tonnerre d’applaudissement jaillit d’une grande salle avec des écrans qui affichent des courbes un peu partout. Ca y est. Le premier paquet de protons vient de faire 3 tours de 27 kilomètres à  100 mètres sous la frontière franco-suisse dans une mystérieuse machine appelée le LHC.

L.H.C’est parti mon kiki ! ©Lison Bernet.

Cet événement s’est passé au CERN, l’Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire, qui vient de mettre en service le plus puissant accélérateur de particules du monde : le LHC (Large Hadron Collider). Cette machine est qualifiée comme étant la machine la plus complexe jamais construite par l’homme. Le projet LHC a été pensé dans les années 80 et approuvé officiellement en 1994. Le premier coup de pelle a été donné en 1998 et sa construction, estimée à  6 milliards de francs suisses (3,75 milliards d’euros), s’est achevée en 2008.

Cette première, très attendu par toute la communauté scientifique, est l’aboutissement de 15 ans de travail de plus de 8000 techniciens, ingénieurs et chercheurs de plus de 80 nationalités différentes. Le LHC est unique, il utilise toutes les dernières technologies maitrisées par l’homme comme la supraconductivité et la superfluidité à  des échelles quasi-industrielles et le tout pour un projet de physique théorique. Les retombées technologiques issues du développement et de la construction de la machine sont immenses. La construction du LHC aura apporté des nouvelles solutions en imagerie médicale, en supraconductivité, en cryogénie, en télécommunication, en informatique, en génie civile, etc. Après tout, c’est le CERN qui a inventé le WEB en 1989 pour échanger des données. Désormais, toute nos sociétés sont basées sur le WEB !

Cette incroyable machine est constituée de 27 kilomètres d’aimants supraconducteurs refroidis à  1,9K (-271°C) permettant de courber et de focaliser les faisceaux de particules à  l’aide de puissants champs magnétiques (environ 8 Tesla). Ainsi le LHC est la plus grande installation supraconductrice du monde et a nécessité la construction de gigantesques installations cryogéniques (de gros réfrigérateurs). Le refroidissement des 27 km d’aimants nécessite 10 000 tonnes d’azote liquide et 120 tonnes d’hélium liquide dont environ 90 tonnes d’hélium superfluide.

Le LHC peut accélérer environ 100 milliards de protons dans 2 anneaux en sens opposés pour les faire collisionner à  4 points distincts dans lesquels se trouvent de gigantesques détecteurs de particules (nommés ATLAS, CMS, ALICE et LHCb) qui peuvent faire la taille d’une cathédrale tout en étant enfouis à  100 mètres sous terre. Les faisceaux tournent à  environ 99,9999991% de la vitesse de la lumière et le LHC va produire 600 millions de collisions par seconde. C’est ensuite une grille de calcul planétaire qui prend le relais pour traiter le véritable flot de données qui sort de ces détecteurs. L’ensemble des détecteurs produira au total 15 000 000 de Giga Octets de données par an (soit une pile de CD de 20 km de haut).

Le  premier proton ayant fait un tour complet du LHC. (c) Noémie.

Le LHC ne fait que reproduire des collisions qui se produisent tous les jours dans notre Univers. Mais ici ces collisions sont créées artificiellement pour permettre à  l’homme de les analyser dans des détecteurs de particules.

La fonction du LHC est de répondre à  plusieurs questions de la physique théorique qui demeurent toujours sans réponse. Les physiciens veulent confirmer ou infirmer leurs théories sur la constitution de la matière qui nous entoure, sur le Big-Bang et les différents phénomènes observables dans l’Univers.

Tout notre Univers est constitué de particules élémentaires (les étoiles, les planètes, les plantes, les hommes, etc.) qui obéissent a un modèle de physique théorique appelé le modèle standard. Jusqu’à  présent, toutes les observations concordent avec ce modèle mais une particule n’a jamais été observée : le boson de Higgs. Cette particule, appelée abusivement « la particule de Dieu » par les journaux, devrait expliquer l’origine de la masse de toutes les particules. Le LHC a pour première mission de « découvrir » ce boson de Higgs, mais ce n’est pas son unique but. Il cherchera également une mystérieuse matière noire que l’on observe indirectement dans l’Univers ainsi que les différences matière/antimatière tout en reconstituant les conditions qui régnaient quelques milliardièmes de seconde après le Big-Bang.

Quelques remarques de Tom Roud (tirées de ce billet):

Les médias commencent à s’exciter sur le LHC et le boson de Higgs. Pourtant, les bruits de couloir à mon université me laissent penser que les attentes sont bien différentes à ce qu’on pourrait croire. Supposons en effet qu’on découvre le Higgs, et que tous les nouveaux phénomènes explorés soient exactement conformes aux théories en cours. Et bien … ce serait d’une certaine façon un coup très dur pour les physiciens, un véritable répulsif à étudiants, une dépression de plusieurs années pour la discipline.

En effet, cela signifierait qu’on a en gros « tout compris » à ce qui se passe et qu’il n’y a rien de nouveau à découvrir. Bien sûr, il y aurait quelques Nobels à la clé, mais on ne pourrait s’empêcher de ressentir un petit sentiment d’amertume, de perte de temps, puisqu’il n’y aurait rien de nouveau sous le soleil. Or ce qui intéresse le scientifique, c’est de découvrir et d’expliquer des faits nouveaux : la simple confirmation des modèles en cours constituerait une vraie déception.

Il y aurait donc décalage entre d’un côté, le grand public qui voit ces expériences avant tout comme la « confirmation » de phénomènes prédits théoriquement, et les scientifiques qui espèrent sans le dire que la confirmation n’aura pas lieu ou ne sera que partielle et qu’il y aura une nouvelle physique à développer.

Rassurons toutefois les scientifiques : on peut penser que le génie de l’homme n’est pas infini et qu’on trouvera de nouveaux phénomènes. De fait, les physiciens des hautes énergies sont très excités d’avoir enfin de nouvelles manips à se mettre sous la dent …