Pourquoi les particules qui collisionnent révèlent la réalité
Une grande partie de ce que les physiciens savent des lois fondamentales de la nature vient de la construction de machines destinées à écraser les particules entre elles.
Les physiciens ont commencé à développer des collisionneurs de particules à la suite de révélations selon lesquelles l’univers ne se résume pas à des atomes. Ernest Rutherford a perçu l'intérieur de l'atome lors de l'une des premières expériences de proto-collisionneur en 1909. Lui et son élève ont placé une matière radioactive derrière un bouclier en plomb percé d'un trou, de sorte qu'un flux de particules alpha (maintenant connues sous le nom de noyaux d'hélium) ) puisse passer à travers le trou. Lorsqu’ils ont projeté ce faisceau de particules sur une fine feuille d’or, ils ont observé qu’une particule sur 20 000 rebondissait directement vers l’arrière. Rutherford l'a comparé à un obus d'artillerie qui se refléterait sur une feuille de papier de soie. Les physiciens avaient découvert que les atomes d'or étaient pour la plupart constitués d'espace vide, mais que les particules alpha se dispersaient occasionnellement hors des noyaux denses et chargés positivement des atomes.
Deux des étudiants de Rutherford, John Cockcroft et Ernest Walton, ont ensuite assemblé et exploité le premier véritable collisionneur de particules en 1932. Ils ont utilisé un champ électrique pour accélérer les protons et les transformer en atomes de lithium avec suffisamment d'énergie pour briser les atomes de lithium en deux, divisant l'atome pour la première fois.
Au cours des décennies suivantes, les physiciens ont construit un défilé de collisionneurs de particules de plus en plus performants. Ils ont augmenté la densité des particules du projectile, ajouté des aimants supraconducteurs pour mieux les diriger et se sont offert plus de pistes en concevant des collisionneurs circulaires. Pour produire des feux d’artifice plus violents, ils ont brisé des faisceaux de particules circulant dans des directions opposées.
De nombreuses innovations technologiques visaient à produire des collisions à plus haute énergie pour générer des variétés de particules plus riches. Toute la matière que vous avez vue ou touchée est composée de seulement trois particules légères et fondamentales : des électrons et deux types de quarks. La nature laisse aussi entrevoir l'existence de plus d'une douzaine de particules élémentaires plus lourdes, mais seulement pour un instant, avant qu'elles ne se transforment en particules légères et stables. Pour savoir quelles particules massives peuvent exister, les physiciens exploitent l'interchangeabilité de la matière et de l'énergie découverte par Albert Einstein, exprimée dans sa célèbre équation E = mc 2. En générant des collisions plus énergétiques, ils virent émerger des particules plus lourdes.
Une autre façon de voir les choses est que les collisions à haute énergie s’enfoncent plus profondément dans le monde subatomique. Toutes les particules quantiques ont des propriétés ondulatoires, telles que les longueurs d'onde. Et leurs longueurs d’onde déterminent ce avec quoi ils peuvent interagir. Les ondes sonores peuvent contourner les murs parce qu'elles mesurent des mètres en longueur, par exemple, tandis que les ondes lumineuses sont arrêtées par tout ce qui est plus grand que leur longueur d'onde de quelques centaines de nanomètres. Les ondes incroyablement minuscules impliquées dans les collisions à haute énergie sont sensibles à des obstacles quantiques tout aussi minuscules. De cette manière, les énergies plus élevées permettent aux physiciens d’explorer les règles de la réalité à des échelles de plus en plus petites.
Suivant l’exemple de Rutherford et de ses étudiants, les chercheurs ont continué leurs explorations à un rythme effréné. L'énergie des collisions de particules a augmenté de 10 fois tous les six à huit ans pendant la majeure partie d'un siècle, ce qui correspond presque au rythme de la loi de Moore pour les puces informatiques. Ces progrès ont culminé avec la construction du Grand collisionneur de hadrons (LHC) en Europe, une piste souterraine circulaire de 27 kilomètres de circonférence qui écrase des protons à des énergies environ 20 millions de fois supérieures à celles utilisées par Cockcroft et Walton pour diviser l'atome. C’est au LHC en 2012 que les physiciens ont découvert le boson de Higgs, une particule lourde qui donne de la masse à d’autres particules fondamentales. Le Higgs était la dernière pièce manquante du modèle standard de la physique des particules, un ensemble d'équations qui rend compte de toutes les particules élémentaires connues et de leurs interactions.
Quoi de neuf et remarquable
Le LHC, qui a entamé une nouvelle période d'exploitation de six mois en avril, a consolidé le modèle standard avec la découverte du boson de Higgs. Mais ce qui n'a pas été découvert a laissé le domaine en crise. Pendant des décennies, de nombreux théoriciens des particules ont espéré qu'une nouvelle " supersymétrie “ entre les particules de matière et les particules de force serait observée afin de résoudre une énigme appelée " problème de la hiérarchie ", et aider ainsi à relier les forces quantiques et fournir un candidat pour les particules de ” matière noire » qui maintiennent les galaxies ensemble.
Mais le LHC n’a vu aucun signe des particules prédites par la supersymétrie et, en 2016, les partisans de la théorie ont reconnu que notre univers n’est pas supersymétrique comme ils le pensaient simplement. La même année, l'évocation d'une nouvelle particule s'est avérée être un mirage statistique, et les physiciens ont dû se rendre compte que le LHC ne découvrirait probablement aucun nouveau phénomène au-delà des particules du modèle standard - une situation parfois appelée "scénario du cauchemar" .
Sans indices indiquant l’existence de particules plus lourdes qui pourraient être évoquées dans des collisions à plus haute énergie, il est difficile de justifier la construction d’un autre collisionneur de particules encore plus grand, de plusieurs milliards de dollars. Certains insistent sur le fait que cela en vaut la peine, car il reste encore beaucoup à étudier sur le boson de Higgs, qui pourrait contenir des indices sur d'éventuelles entités plus lourdes situées hors de portée du LHC. Mais aucun indice - ni aucune entité - de cette nature n'est garanti.
Une proposition visant à construire un collisionneur de nouvelle génération au Japon est au point mort. L'Europe réfléchit à un successeur du LHC de 100 kilomètres, mais s'il est approuvé et financé, sa construction prendra tellement de temps que les étudiants diplômés d'aujourd'hui seront à la retraite depuis longtemps avant que ce nouveau LHC ne démarre.
Les physiciens des particules américains ont reçu des nouvelles optimistes en décembre dernier lorsqu'un comité gouvernemental a soutenu l'étude des perspectives quant à un collisionneur de muons . Les muons sont des versions plus volumineuses d'électrons qui seraient plus puissantes lors des collisions, tout en étant dépourvues de la sous-structure des protons, de sorte qu'un collisionneur de muons relativement petit pourrait produire des collisions propres et à haute énergie. Un collisionneur de muons de pointe pourrait s’insérer dans la structure d’une installation existante, le Fermi National Accelerator Laboratory dans l’Illinois, et pourrait donc être construit plus rapidement et à moindre coût. Le problème est que les muons se désintègrent en quelques microsecondes et que la technologie nécessaire pour créer et contrôler des faisceaux étroits de ceux-ci n'existe pas encore. Néanmoins, si le projet va de l'avant, les partisans espèrent qu'un tel dispositif pourrait être opérationnel au moment où les élèves de maternelle d'aujourd'hui commencent à obtenir leur doctorat.
En attendant, les physiciens n’ont d’autre choix que de proposer des expériences alternatives et de nouvelles façons de reconstituer les indices que les collisionneurs leur ont déjà fournis.
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Info: https://www.quantamagazine.org/, Charlie Wood, 2 juin 2024
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