Briser des protons dans les cathédrales de la science

La pittoresque frontière franco-suisse entre les Alpes et les montagnes du Jura attire depuis longtemps les skieurs et les randonneurs du monde entier. Mais le 30 mars, physiciens et journalistes ont convergé vers cette vallée, près de Genève, désireux de voir l'histoire se faire à 100 mètres sous la surface

En construction Markus Klute a fait visiter à d'autres membres du corps professoral du MIT pendant la construction du CMS (de gauche à droite : Daniel Freedman, Klute, Christoph Paus et Edward Farhi).

Les visiteurs ont trouvé leur chemin vers la salle de contrôle du Compact Muon Solenoid (CMS), un appareil logé dans l'une des quatre énormes cavernes souterraines du Large Hadron Collider (les physiciens aiment les appeler des cathédrales de la science) qui sont reliées par 27 kilomètres de tunnels . Mesurant 15 mètres de diamètre sur 22 mètres de long et pesant 12 500 tonnes, soit plus que la Tour Eiffel, le CMS était prêt à envoyer des centaines de milliards de protons se précipiter les uns vers les autres à travers de petits tuyaux à vide à des vitesses approchant la vitesse de la lumière. Lorsqu'ils se sont écrasés, l'appareil mesurerait pour la première fois la position précise et l'énergie des particules produites par de telles collisions, donnant aux physiciens un premier aperçu de la physique sous-jacente.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de septembre 2010

• Voir le reste du numéro
• S'abonner

À l'heure du déjeuner, le centre de contrôle de CMS était plein à craquer. À 12 h 58, les moniteurs de fréquence qui suivent l'activité à l'intérieur du détecteur CMS ont augmenté, révélant la présence des premières collisions proton-proton. Quelques secondes plus tard, les premières images d'interactions protoniques et les nouvelles particules qu'elles produisent illuminent les écrans. Les particules chargées reconstituées apparaissaient sous forme de points jaune vif avec des tentacules dorés ; les dépôts d'énergie ont été indiqués par des rectangles rouges et bleus de différentes tailles. Des applaudissements et des acclamations sauvages ont éclaté et ont duré quelques minutes. Un soulagement palpable envahit la pièce. Vingt-cinq ans après l'idée d'un grand collisionneur de hadrons au CERN, et 12 ans après le début de la construction, le LHC avait réalisé les collisions proton-proton les plus énergétiques de tous les temps, inaugurant une nouvelle ère de la physique des particules.

Au siège du CERN ce soir-là, les restaurants du laboratoire hôte du LHC étaient animés par des discussions sur les événements de la journée. Comme les conversations animées habituelles sur la qualité de la neige dans les Alpes, la Coupe du monde de football et les derniers développements en physique, informatique et ingénierie, ces échanges ont été menés en anglais à différents niveaux de compétence, bien qu'une douzaine d'autres langues puissent également être entendu. Atteindre le jalon des premières collisions à sept téraélectronvolts a été un motif de célébration. Un échec ce jour-là aurait été très mauvais pour notre domaine.

Depuis mars, le LHC a bien fonctionné, produisant de nombreuses collisions. Les premières observations des événements des bosons W et Z dans les expériences LHC sont en cours de discussion ; parce que nous avions déjà mesuré les propriétés des bosons avec une très grande précision dans des détecteurs plus petits, ils servent de bougies standard pour l'alignement et l'étalonnage du LHC. Les premiers quarks top, les particules élémentaires les plus lourdes connues, devraient bientôt apparaître. Les scientifiques connaissent ces particules depuis de nombreuses années, mais la communauté des physiciens est très enthousiaste à l'idée d'en voir des preuves de première main au LHC. Et cette excitation ne fera que s'intensifier si nous voyons des phénomènes vraiment nouveaux.

Cela peut prendre des années avant de trouver des réponses à des questions aussi importantes que d'où vient la masse des particules élémentaires, en quoi consiste la matière noire observée dans les galaxies et si la supersymétrie et les dimensions supplémentaires proposées par la théorie des cordes existent vraiment. Mais nous nous rapprochons, maintenant que nous sommes capables de créer de nouvelles particules massives et de sonder la matière à très petite échelle. Les résultats des expériences LHC définiront l'agenda des futures générations de physiciens des particules.

L'objectif de mon équipe au MIT est de trouver le boson de Higgs tant recherché, dont la découverte fournirait des informations sur la façon dont les particules acquièrent de la masse. Bien que le boson de Higgs soit entré dans le paysage théorique il y a 40 ans, il reste insaisissable car il est rarement produit et se désintègre instantanément. Le défi expérimental est d'identifier la signature de ses produits de désintégration, une tâche compliquée par l'existence d'autres processus avec des signatures similaires. Le défi peut être comparé au fait de ne pas trouver une aiguille dans une botte de foin, mais plutôt un morceau de foin distinct. J'ai commencé à travailler là-dessus en tant qu'étudiant de premier cycle il y a près de 12 ans, et maintenant la communauté scientifique a enfin les outils en main pour rendre la découverte possible. C'est une période passionnante pour être un physicien des particules et une occasion unique de travailler au centre de cette excitation.

Markus Klute est professeur adjoint de physique et dirige l'équipe du MIT à la recherche du boson de Higgs au LHC. Pour voir des images de l'expérience CMS du 30 mars, rendez-vous sur technologyreview.com/LHC .

cacher