N°35- L’AVENTURE du GRAND COLLISIONNEUR

Du big bang au boson de Higgs

D.Denegri / Cl.Guyot / A.Hoecker / L.Ross - EDP Sciences - 07/03/2014 - 315 p - tout lecteur

RÉSUMÉ : D’abord concentré sur la théorie (succès, faiblesses) du modèle standard (symétries, invariances, unifications) et sur ses applications en cosmologie (FDC, nucléosynthèse, expansion), l’ouvrage détaille ensuite l’histoire des accélérateurs et détecteurs de particules conduisant à l’actuel LHC. Il envisage enfin les prolongements ouvrant sur une nouvelle physique au delà du modèle standard (M.S).

MOTS CLÉ : Symétries, unification, nouvelle physique, accélérateurs, détecteurs….

LES AUTEURS : Daniel DENEGRI est directeur de recherche (CNRS) co-fondateur de l’expérience CMS du LHC dont il envisage le futur des programmes. Claude GUYOT est physicien au CEA (Irfu), co-concepteur du spectromètre à muons d’ATLAS dont il dirige le groupe (2011). Andréas HOECKER chercheur permanent au CERN, il analyse les données sur ATLAS (supersymétrie). Lydia ROOS est directrice de recherche (CNRS), a œuvré sur ALEPH (mésons), sur DELPHI (LEP) pour rejoindre ATLAS (bruits de fond).
Préface de Carlo RUBIA (Nobel-1984)

Collection «  Une introduction à  » destinée lever le voile sur l’aventure du grand collisionneur LHC par 4 des acteurs pleinement engagés dans cette exemplaire épopée scientifique humaine et planétaire.
L’ouvrage ouvre sur le modèle standard (M.S), cadre théorique construit sur la théorie quantique des champs dont le dernier maillon fut confirmé le 04/07/12 et récompensé par le Nobel en 2013 (Englert/Higgs). M.S des particules et M.S cosmologique main dans la main y sont savamment analysés. Les concepts de champs, de symétries (toujours brisées), de constantes de couplage, d’invariances, pointent une unification aux très fortes énergies. Celles-là même qui bricolaient à la source de notre univers sur d’autres concepts, de vide fluctuant, d’inflation, de dimensions compactifiées, hébergeant cordes et supercordes (Modèle ADD). Expansion accélérée de l’univers depuis 5 milliards d’années, fond diffus cosmologique et nucléosynthèse primordiale confirment le modèle sans pour autant occulter ses insuffisances. Matière noire et énergie sombre ne peuvent faire oublier que seuls 5% du contenu matière-énergie sont identifiés dans le contenant espace-temps de notre physique ! Chacun trouvera matière à cogiter tant le texte et ses nombreux encarts est dense. (On évite ici toute platitude critique…).

La seconde partie détaille l’aventure des techniques d’accélération et de détection des particules. Cyclotrons (1931), synchrocyclotrons et synchrotrons (Brookhaven-53) ouvrent la course des hautes énergies où le CERN (1954) n’entre en scène qu’en 57 avec le PS (synchrotron à p⁺/27GeV), suivi du SPS (76/450GeV/7kms), du ISR (p⁺/p⁺/71) et du SppS (p⁺/p^-/83) avec ses détecteurs UA1 & UA2 où furent mis en évidence les bosons W & Z de l’interaction faible (83). (Rubbia/van der Meer/Nobel 84). La construction du LEP (e⁺/e^-/27km-89) et ses 4 détecteurs (ALEPH-DELPHI-L3-OPAL), véritable usine à Z conduisit surtout à apprivoiser les 3 types de neutrinos dont le rôle en cosmologie primordiale est fondamental. Dans la phase LEP-2 (200GeV) la quête du bosons de Higgs (H) devait induire l’arrêt des expériences (2000) pour entamer la construction du LHC (initié en 89/Rubbia/Evans), avec à l’horizon 2015 une énergie dans le centre de masse de 17TeV et une luminosité de 10³⁴/cm².s pour prendre le relais du Tévatron. Le potentiel de recherche et de découverte dans tous les modes de fonctionnement du LHC (p⁺/p^- ; Pb/Pb ; e^-/p⁺), concerne l’identification des modes de production et de désintégration (H), des particules super symétriques et d’éventuels bosons de jauge de haute masse (W’,Z’).

Le lecteur embarquera dans cette extraordinaire aventure planétaire où quelques 6000 physiciens se penchent sur ces 2800 paquets de 10⁺¹¹ p⁺ se suivant toutes les 25ns pour environ 20 collisions par croisement. Seulement 1/10⁺¹⁰ seront considérées comme évènement intéressant ! Contraintes importantes sur la conception des détecteurs (détecteurs internes, calorimètres électromagnétiques et hadronique, spectromètre à muons), sur le temps de réponse et la granularité. Les exemples de ATLAS (A Toroïdal LHC ApparatuS) & CMS (Compact Muon Spectrometer), de LHCb et Alice sont décortiqués, schémas, photos couleur et graphes à l’appui. Le démarrage (10/09/08), l’accident (19/09/08), la reprise (10/09), les premiers données et l’annonce de la découverte d’un boson qui ressemble à H (04/07/12) ne doivent pas faire oublier calibrations et alignements des sous détecteurs, le rôles des simulations et les défis posés par une informatique en charge des analyses de données. En marge du WWW (World Wide Web) crée au CERN (années 90) pour permettre aux physiciens une communication planétaire, l’utilisation d’une grille de calcul assure le stockage, le traitement et l’analyse des données (Projet LCG : LHC Grid Computing) dans 250 centres de calculs structurés en 3 niveaux.

Les derniers chapitres pointent l’avenir du LHC sur fond d’une nouvelle physique (MSSM) où quark top, particules super symétriques, dimensions supplémentaire, micro trous noirs et grande unification donnent leurs ailes aux expériences LHCb & ALICE. Trois arrêts réclamant d’importantes modifications (collisionneurs/détecteurs) sont prévus pour améliorer les performances (énergie/luminosité/phases HL.LHC/HE.LHC) Bruit de fond, méthodes statistiques d’évaluation des signaux sont à même d’ouvrir sur de nouvelles structures sous-jacentes où de nouveaux concepts (stabilité du vide) pointent sur les futurs collisionneurs (plutôt linéaires pour éviter les pertes par rayonnement synchrotron) à très haute luminosité (ILC/International Linéar Collider). Manque, peut-être, un tableau chronologique récapitulatif de cette fabuleuse aventure : la vérité des forgeurs de clous, c’est le navire !

Étonnant dossier préfacé par Carlo Rubbia où le lecteur trouvera motif à cogiter genèse, motivations et cadre théorique qui conditionnent la pratique de la recherche au LHC, témoin de ce que l’homo-géonaute peut faire de mieux dans la quête de son aventure scientifique & technique face à l’énigme noire mais peut-être scintillante, de cette matière et énergie sombre. Il ne s’agit de dire qu’il pleut, mais de créer la pluie !

Jacques CAZENOVE - 17/05/14