LHC : une clé pour le futur ! - 09/09/2008

En mai 2008, l’un des plus grands théoriciens des particules élémentaires du monde, John Ellis, donnait une conférence à l’Université de Durham dont le titre était « Les questions de Gauguin en physique des particules élémentaires : d’où venons-nous ? Qui sommes-nous ? Où allons-nous ? ».

Crédit Durham University

L’inventeur de la célèbre expression « Théorie du tout », en anglais Theory of Everything (ToE), y racontait entre autres comment, jeune chercheur, il avait affiché le tableau de Gauguin associé à cette célèbre expression sur l’un des murs de son bureau pour garder présent à l’esprit pourquoi il avait choisi de faire de la physique des particules élémentaires.

Incontestablement, les physiciens s’occupant aujourd’hui de la physique des particules élémentaires, laquelle fusionne depuis les années 1970 avec la cosmologie sous l’impulsion de physiciens du calibre de Yakov Zeldovitch et  Stephen Hawking, sont les dignes héritiers et continuateurs des philosophes grecs. Ayant patiemment suivi la feuille de route tracée par Platon, Démocrite et Descartes, les voici maintenant en mesure de s’attaquer aux questions fondamentales grâce aux outils théoriques et expérimentaux qu’ils se sont forgés et dont ils ont éprouvé tout à la fois  la solidité et la faillibilité (pour reprendre l’expression de Karl Popper), au cours des deux derniers siècles.

John Ellis en train d'écrire une partie du lagrangien du modèle standard. Crédit : Cern.

Le LHC est l’un de ces outils expérimentaux et il constitue, sans nul doute, l’objet technologique le plus complexe réalisé dans toute l’histoire de l’humanité. Ce grand collisionneur de protons avec ces 27 kilomètres de circonférence va accélérer des faisceaux de presque 3.000 paquets constitués de plus de 100 milliards de protons à une vitesse de l’ordre de 0,999999991 fois la vitesse de la lumière. Un milliard de collisions par seconde en résulteront dans ses détecteurs qui, pour analyser et rechercher des signaux d’une nouvelle physique, sont couplés à des dizaines de milliers d’ordinateurs dispersés sur la planète et seront exploités dans le cadre d’un réseau informatique décentralisé appelé la Grille. Les données qui seront enregistrées avec les détecteurs du LHC représentent en effet un volume d’information si vaste qu’elles pourraient remplir environ 100.000 DVD double couche par an.

Avec le Cern, le LHC rassemble autour de lui une communauté mondiale de plusieurs milliers de chercheurs et d’ingénieurs mais ce nombre est en réalité bien plus important si l’on tient compte de tous ceux qui, travaillant en physique des hautes énergies, en astroparticules et cosmologie, attendent de la mise en route du LHC qu’elle révolutionne notre vision du monde en nous faisant pénétrer plus profondément dans les arcanes du cosmos.

Bien que la réalité soit beaucoup plus prosaïque, on ne peut s’empêcher de penser avec le physicien Robert R. Wilson, le grand spécialiste des accélérateurs de particules qui avait été l’un des fondateurs et le premier directeur du Fermilab aux Etats-Unis, que les accélérateurs de particules modernes dont le LHC sont un peu l’équivalent des grandes cathédrales et témoignent de la volonté de l’Homme de se dépasser pour aller toujours plus haut. Certains n’ont d’ailleurs pas hésité à comparer le Cern, qui est presque une petite cité à lui tout seul, avec les projets de villes idéales dédiée à la recherche de la connaissance, comme aurait pu l’être la République de Platon. la comparaison est certainement exagéré mais donne une idée du rêve qu’incarne d’une certaine façon le Cern avec le LHC et qui nous ramène quelques dizaines d’années en arrière, lorsque le projet Apollo a été lancé.

Concrètement que cherchent en fait les physiciens avec le LHC ?

Au cours des années 1960 et surtout 1970, les physiciens ont construit un modèle de particules de matières et d'interactions remarquablement puissant et précis qui explique, en théorie, toute la physique des phénomènes dans le système solaire. Il s’agit du célèbre modèle standard.

Celui-ci est constitué de l’électrodynamique quantique relativiste, dont les prédictions époustouflantes s’accordent avec l’expérience parfois jusqu’à la dixième décimale. Cette dernière décrit les interactions électromagnétiques entre les particules chargées comme les électrons et les protons. Vient ensuite la chromodynamique quantique (QCD) décrivant l’interaction nucléaire forte permettant aux protons et aux neutrons des noyaux de rester ensemble. Etablissant un lien entre les deux, il existe enfin une théorie dite de l’interaction nucléaire faible, responsable de la désintégration radioactive des noyaux. En fait, cette dernière interaction a fusionné avec l’interaction électromagnétique dans le cadre d’une théorie dite électrofaible, proposée à la fin des années 1960 par Steven Weinberg et Abdus Salam et prolongeant la théorie de Sheldon Glashow.

Le paysage que décrit au final le modèle standard est celui constitué par deux grandes familles de particules élémentaires de matière, les quarks et les leptons, et toute une série de particules, semblables aux photons des interactions électromagnétiques et qui sont les porteurs des autres forces du modèle standard. On a ainsi les 8 gluons g de la QCD, liant les quarks dans les protons et plus généralement les hadrons, et enfin les bosons intermédiaires W⁺, W^- chargés et Z⁰ neutres, responsables des interactions faibles entre les leptons (électrons, muons, tauons  et leurs neutrinos associés) et les 6 quarks de la chromodynamique quantique.

A part les gluons et le photon, les quarks, les leptons et les bosons intermédiaires de l’interaction faible possèdent tous des masses. Dans le cadre du modèle standard, ces masses tirent leur origine d’une autre particule, le fameux boson de Higgs.

Un panorama des particules du modèle standard. Seul manque encore à l'appel le boson de Higgs noté ici H⁰. Crédit : Michel Lefebvre

L’ensemble de ces particules est gouverné par un cadre de lois fondamentales, la théorie de la relativité restreinte d’Einstein et la mécanique quantique, qui ont été rassemblées en un seul corpus de lois, connu sous le nom de théorie quantique relativiste des champs. Si l’on essaie d’appliquer ce corpus aux interactions gravitationnelles décrites par la théorie de la relativité générale d’Einstein, on doit, de plus, supposer l’existence d’un autre boson sans masse porteur de la force de gravitation entre toutes les particules précédentes : le graviton.

Malheureusement, la théorie qui en émerge n’est pas sans problèmes et, à strictement parler, une théorie de la gravitation quantique n’existe pas encore. C’est pourquoi la théorie de la gravitation n’est généralement pas considérée comme faisant partie du modèle standard.

L’ensemble modèle standard plus théorie de la relativité générale, la théorie de la gravitation d’Einstein, permet cependant de décrire une large part de l’Univers observable, en théorie du moins, car, en pratique, résoudre les équations et en extraire des prédictions est une toute autre affaire. Beaucoup de physiciens pensent, par exemple, que toute la chimie est contenue dans l’équation fondamentale de la mécanique quantique, l’équation de Schrödinger, mais personne ne sait en dériver le comportement complet de la molécule d’ADN, et de très loin.

Les théories précédentes constituent néanmoins un impressionnant succès des physiciens car elles nous permettent de comprendre comment brille le Soleil, d’où viennent les noyaux qui constituent notre corps, pourquoi le silicium est un semi-conducteur ou comment le carbone se lie à l’hydrogène pour former des molécules organiques. Malgré tout, quand on les regarde de plus près, en particulier si l’on veut vraiment savoir comment l’Univers est apparu et a évolué, les incohérences, les problèmes et les mystères s’accumulent…

• Les astrophysiciens et les cosmologistes ont en effet découvert l’existence, tout à la fois, de la matière noire liant les galaxies et de l’énergie noire accélérant l’expansion de l’Univers, sur lesquelles le modèle standard (MS) est muet ;
• L’Univers est majoritairement constitué de matière alors que le MS prédit une égalité entre création de matière et d’antimatière lors de la naissance de l’univers observable. Où est passée l'antimatière cosmologique ? Il y a bien de la place dans les équations du MS pour une asymétrie entre matière et antimatière, mais cela implique des termes violant ce qu’on appelle la symétrie CP, dont l’origine est inconnue et n’est pas prédite par le MS, quand bien même cette violation a bien été observée par les physiciens ;
• Les quarks constituant les hadrons, comme les neutrons et les mésons K, ne semblent pas pouvoir exister à l’état libre dans les conditions physiques actuelles de l’Univers. On dit qu’ils sont confinés. Quelle est l’origine exacte de ce phénomène ? Ne pouvait-il pas exister un gaz de quarks libres, plus précisément un plasma quark-gluon, au tout début de l’origine de l’Univers, qui se serait condensé en gouttelettes de liquide hadronique sous forme de protons et de neutrons lorsque la température du cosmos a chuté avec l’expansion de l’Univers ?
• La théorie unifiée des forces électromagnétique et nucléaire faible n’est en fait pas une véritable théorie unifiée. Elle introduit deux constantes de couplage analogues à la charge électrique et deux groupes de Lie. Une véritable théorie reposerait sur une seule constante de couplage et un seul groupe de Lie. C’est ce genre de groupes qui détermine la forme des équations d’une théorie de champ quantique relativiste, capable de rendre compte d’une interaction. Mieux, il devrait exister un moyen d’unifier la théorie électrofaible avec la force nucléaire et enfin la force de gravitation. Existe-t-il vraiment une telle théorie unifiée, une GUT ? Une Théorie du Tout si l’on incorpore la gravitation et la matière ?
• Le boson de Higgs donne des masses aux particules du modèle standard, mais il ne prédit pas vraiment la valeur de celles-ci. Le boson de Higgs n’a pas encore été observé, existe-t-il vraiment ? C’est la présence de ce boson qui explique pourquoi les interactions électrofaibles, qui sont presque unifiées à haute énergie, se séparent en interaction électromagnétique et force nucléaire faible à basse énergie. Le mécanisme de Higgs responsable de cette séparation est-il bien réel ?

Selon le modèle de Glashow,Salam, Weinberg des interactions électrofaibles, le boson de Higgs est responsable des masses des particules mais aussi de la séparation des forces à basse énergie. C'est le mécanisme de brisure de Higgs qui sera étudié au LHC... si il existe vraiment. Crédit : Michel Lefebvre

• La relativité générale d’Einstein traite de l’infiniment grand et des champs de gravitation extrêmement forts, mais c’est une théorie classique ignorant la mécanique quantique avec laquelle elle entre même en contradiction dans certaines situations. Cette dernière décrit le monde de l’infiniment petit mais il existe au moins deux situations physiques dans lesquelles ces deux théories doivent intervenir : lorsque l’Univers observable était plus petit qu’un atome et à l’intérieur d’un trou noir. Pour comprendre l’origine de l’Univers, il nous faut donc une théorie quantique de la gravitation, mais comment quantifier le champ de gravitation ? Peut-on vraiment faire de la cosmologie quantique et même se poser la question d’un avant le Big Bang ?
• Il y a près de 20 paramètres dans les équations du modèle standard dont l’origine et la valeur ne sont pas comprises. Si une théorie unifiée existe, et si nous arrivons à construire une théorie de la gravitation quantique, nous pouvons espérer avoir une réponse à ces questions. En fait, nous pensons que nous pouvons même répondre aux questions précédentes, comme l’origine et la nature de la matière noire et de l’énergie noire, si deux propositions théoriques qui ont été faites dans les années 70 sont correctes, celle des théories supersymétriques et de la théorie des cordes, cette dernière nécessitant des dimensions supplémentaires. Existe-t-il vraiment un « supermonde » avec de nouvelles particules supersymétriques associées à chaque particule connue ? Les particules sont-elles en fait des cordes et existe-il réellement des dimensions spatiales supplémentaires, avec même des mondes parallèles ou autorisant la création de mini trous noirs, et même, pourquoi pas, des mini trous de vers au LHC ?

Cliquez pour agrandir. Les paramètres libres dont les valeurs sont inexpliquées dans le modèle standard, les masses m et les constantes de couplages g. Crédit : Cern

Il n’est pas du tout certain que ces questions pourront véritablement être abordées ni même résolues avec le LHC, au cours de la prochaine décade. Si la mise en évidence du Higgs est assez probable, nous pourrions fort bien découvrir que celui-ci n’existe pas ! Stephen Hawking lui-même a parié contre la découverte du Higgs en raison de ses travaux sur la théorie des trous de vers.

Si l’on en croit certaines des analyses issues des mesures de WMAP, l’énergie à laquelle les forces pourraient s’unifier serait très grande, 10¹⁵ GeV environ, à comparer au 14.000 GeV du LHC. C’est pourquoi un cauchemar hante les physiciens, celui du grand désert séparant l’échelle d’énergie de la brisure de symétrie de l’interaction électrofaible, accessible avec le LHC, et celle de l’échelle des GUT et autre ToE. Aucune particule nouvelle autre que le Higgs ne serait alors observable !

Il resterait peut-être encore quelques fenêtres ouvertes dans le domaine des rayons cosmiques et de l’étude du rayonnement fossile, mais nos questions les plus fondamentales n’auraient plus qu’une chance bien ténue d’avoir un jour ne serait-ce qu’un début de réponse. Mais comme le disait un certain philosophe, il n’y a pas de preuve par l’horrible.

Cliquez pour agrandir. Avec un accent de lyrisme, on peut considérer la communauté scientifique autour du LHC comme la digne successeur de cette représentation mythique des penseurs de l'Antiquité grecque. Au centre, illustrant le débat millénaire entre la théorie et l'expérience, Platon discutant avec Aristote. Platon a été représenté avec les traits de Léonard de Vinci. C'est L'école d'Athènes de Raphaël

Reste que, d'ores et déjà, comme le disait le grand mathématicien et physicien théoricien Herman Weyl à la fin de son célèbre traité de relativité générale (Espace-temps-matière) : « Celui qui mesure le chemin parcouru, depuis la métrique euclidienne jusqu’au champ métrique variable dépendant de la matière et renfermant les manifestations de la gravitation et de l’électromagnétisme, celui qui cherche à embrasser d’un coup d’œil ce que notre exposé a forcément fragmenté et morcelé, celui-là doit éprouver un sentiment de liberté, comme s’il sortait d’une cage où il était enfermé jusqu’ici. Il doit être pénétré de la certitude que notre raison n’est pas seulement un pis-aller humain, trop humain, dans la lutte pour la vie, mais qu’elle s’est développée malgré toutes les embûches et tous les errements jusqu’au point où elle peut embrasser objectivement la vérité. Quelques-uns des accords puissants de cette harmonie des sphères auxquels Pythagore et Kepler rêvaient sont parvenus à nos oreilles. »