Une vue de l'expérience NA62 en cours de montage en 2012. Avec elle, les scientifiques vont étudier des modes de désintégration rares des mésons K+. Ils pourraient nous révéler l'existence d'une nouvelle physique. © Maximilien Brice, Cern

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Cern : la chasse à la supersymétrie et à l'antigravité repart en 2014

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Le LHC n'est pas le seul accélérateur de particules du Cern. Moins puissants, les synchrotrons à protons, qui servent d'ordinaire de préaccélérateurs pour les protons injectés dans le LHC, peuvent être utilisés pour faire des expériences à plus basse énergie. Avec celle nommée NA62, les physiciens vont repartir en quête de la supersymétrie cette année. Ils seront aussi à nouveau sur la piste menant à la découverte éventuelle de violations de la théorie de la relativité restreinte, voire de l'existence de l'antigravité.

Il faut patienter jusqu'en 2015 pour que le LHC fonctionne à nouveau. En attendant, les physiciens du Cern ne restent pas inactifs, et ils se préparent à faire de nouvelles expériences sans lui pendant l'année 2014. Cette année sera aussi l'occasion de célébrer le début des premiers travaux de construction du Cern, en mai 1954, avant que la convention du Cern ne soit ratifiée par 12 États européens en septembre de la même année.

Le Cern est officiellement créé à ce moment-là, voici 60 ans, et il se nommait alors Organisation européenne pour la recherche nucléaire. C'est le prix Nobel de physique Louis de Broglie, à l'origine de la découverte de la mécanique ondulatoire, qui avait lancé l'idée de créer un laboratoire scientifique européen lors de la Conférence européenne de la culture tenue à Lausanne en 1949.

Le grand physicien théoricien John Ellis nous explique rapidement pourquoi on cherche la supersymétrie au Cern. © Cern, 2011

Pour comprendre pourquoi le Cern peut conduire de nouvelles expériences sans le LHC, il faut se souvenir que le Grand collisionneur de hadrons n'accélère pas les protons ab initio : il y a toute une chaîne de préaccélérateurs avant lui. Pour le LHC, tout commence avec une simple bouteille de gaz, de l'hydrogène, et un champ électrique utilisé pour ioniser des atomes d'hydrogène qui, en perdant leur électron, donnent des protons. Le Linac 2, le premier accélérateur de la chaîne, accélère ensuite ces protons pour les porter à l'énergie de 50 MeV avant de les injecter dans le Proton Synchrotron Booster (PSB), où ils sont de nouveau accélérés pour atteindre une énergie de 1,4 GeV. Une nouvelle cascade d'accélérateurs permet alors d'obtenir tout d'abord des faisceaux de protons de 25 GeV, avec le Synchrotron à protons (PS), et finalement de 450 GeV avec le Super synchrotron à protons (SPS). Les protons pénètrent enfin ensuite dans le LHC.

Les mésons K, une fenêtre sur de la nouvelle physique

En 2014, le SPS enverra des faisceaux de protons de 400 GeV sur une cible fixe en béryllium de 40 cm d'épaisseur. Il en résultera l'apparition d'un second faisceau, dont l'intensité est d'environ 800 millions de particules par seconde. Pour l'essentiel, il s'agira de protons et de pions, mais environ 6 % de ces particules seront des mésons chargés positivement, des kaons que l'on désigne par K+. Ces kaons sont instables et se désintègrent selon une loi précise en donnant un méson pi positif, π+, et une paire neutrino-antineutrino.

Une vidéo de présentation des recherches faites au Cern avec les kaons. La nouvelle expérience en préparation s'appelle NA62. © Cern, 2011

Cette réaction est rare dans le cadre du modèle standard, mais le calcul de son taux y apparaît comme particulièrement sensible à des effets d'une nouvelle physique comme celle de la supersymétrie. C'est l'une des rares fenêtres en physique des particules où l'ont peut espérer surprendre la présence indirecte de nouvelles particules difficiles à produire. Celles-ci se manifestent en quelque sorte comme des intermédiaires de réaction de la transformation du méson K+ en ses produits de désintégration dans le canal considéré. On va donc étudier de près cette réaction dans le cadre de l'expérience appelée NA62 (Pour North Area 62, ce qui désigne un emplacement de la partie du Cern consacrée à une expérience portant le numéro 62) en cherchant des écarts aux prédictions précises du modèle standard. On recueillera des données dans le cadre de NA62 pendant trois ans.

Antiprotons et antihydrogène au programme

Ce n'est pas la première fois que l'on utilise la physique des kaons pour poser des bornes sur l'existence d'une nouvelle physique à haute énergie via des processus à plus basse énergie. Des physiciens comme John Ellis ont même proposé de se servir des kaons neutres pour étudier des violations possibles des lois de la mécanique quantique ou de l'invariance CPT en liaison avec des effets de gravitation quantique, comme la présence d'une mer de minitrous noirs virtuels dans le vide quantique. L'expérience CPLEAR au Cern a d'ailleurs déjà été utilisée dans ce but.

En août 2014, la production d'antiprotons à basse énergie va reprendre avec le Synchrotron à protons. Les faisceaux obtenus permettront de réaliser de nouvelles mesures du moment magnétique de l'antiproton et avec des atomes d'antihydrogène. Le Cern va donc repartir sur la piste de l'énigme de l'antimatière cosmologique et reprendre la chasse à d'éventuels signes de violation de la symétrie CPT, et même de l'existence de l'antigravité avec des expériences bien connues comme Asacusa, Alpha et Aegis.