Les écrans dans la salle de contrôle d'Atlas le 10 septembre 2008. Crédit : Cern

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Premier faisceau au LHC : récit d'une journée historique

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Mercredi 10 septembre 2008, le premier faisceau de protons a circulé dans cette machine à recréer le Big Bang que constitue le Large Hadron Collider, le Grand Collisionneur de Hadrons ou LHC. Présent sur place, notre envoyé spécial a suivi tous les détails de cette minutieuse mise en route et interrogé les spécialistes, tous très occupés, notamment le physicien John Ellis.

Mercredi 10 septembre 2008, 7 h 30 du matin, le taxi m'emporte en direction du Cern en longeant les berges du lac Léman, la mélodie et les paroles de la chanson de William Sheller, Genève, me trottent dans la tête. Le chauffeur m'arrache à mes pensées sur la physique des hautes énergies en me demandant s'il y a vraiment un risque que la planète soit détruite aujourd'hui. Depuis mon arrivée à Genève, c'est la deuxième personne qui me fait part de ses inquiétudes sur le sujet et j'ignore à ce moment que cette crainte irrationnelle propagée dans le monde entier va faire une victime en Inde.

Je rassure mon chauffeur : « D'abord, il n'y aura pas de collisions aujourd'hui, et puis, même si les chercheurs du Cern le voulaient, l'énergie du faisceau n'est que de 0,45 TeV, alors que la création éventuelle de mini trous noirs nécessiterait plusieurs TeV au minimum. De toute façon, la Nature fait bien pire que l'Homme en bombardant notre planète et les étoiles de la Galaxie avec des rayons cosmiques au moins mille fois plus énergétiques que ce que les collisions du LHC vont produire. Si les très hypothétiques mini trous noirs créés par de telles réactions pouvaient grossir et absorber des étoiles comme les naines blanches et les étoiles à neutrons, elles auraient disparu depuis longtemps ».

Mon interlocuteur est convaincu et, rassuré, me dépose peu avant 8 h devant l'entrée du Globe de la science et de l'innovation. Seuls quelques média, comme la BBC et les chercheurs du Cern sont autorisés à pénétrer dans le bâtiment abritant la chambre de contrôle général du LHC, le CERN Control Centre (CCC). On ne peut pas pénétrer non plus dans les cavernes abritant les détecteurs géants, comme celle d'Atlas à 100 mètres de profondeur, dans la région de Genève. Avec ses 27 kilomètre de circonférence, la machine la plus complexe de l’histoire de l’humanité est en effet invisible en surface.

Cela n'est pas étonnant, le coût d'achat des terrains aurait été prohibitif, la population aurait été inquiète, et de plus, les détecteurs ont besoin d'être isolés du bruit de fond des rayons cosmiques pour assurer la qualité des mesures. Le choix de l'enterrer à plusieurs dizaines de mètres de profondeur était donc logique.

Cliquez pour agrandir. Le Globe de la science et de l’innovation. Crédit : Laurent Sacco/Futura-Sciences

Rapidement, on nous explique dans la salle de conférence du premier étage qu'une réplique de certains des écrans de contrôle du CCC avec des membres compétents des équipes s'occupant du LHC sont à notre disposition pour suivre l'événement du jour : la circulation des premiers faisceaux de protons dans le LHC. Deux écrans géants avec des images en direct de la CCC complètent le tout.

Le first beam day...

Je ne tarde pas à identifier un homme arborant un T-Shirt noir sur lequel je reconnais instantanément le lagrangien du modèle standard sous une forme ramassée. Celui qui donne une interview au rez-de-chaussée du Globe à une équipe de télévision n'est autre que John Ellis, l'un des plus grands théoriciens de la physique des particules élémentaires, grand spécialiste des théories supersymétriques, des supercordes et à qui l'on doit l'expression « théorie du tout ». C'est aussi l'un des auteurs du rapport de 2008 réaffirmant l'absence de risques avec le LHC.

Le LHC first beam day, comprenez la Journée du premier faisceau au LHC, débute à 9 h sur l'écran de la salle de conférence. Comme le montre la vidéo du Cern, apparaissent rapidement le directeur général du Cern, le Français Robert Aymar, et l'un des architectes du collisionneur du LHC, le leader du projet, Lyn Evans. En réalité, les protons qui seront injectés dans le LHC ont déjà été fabriqués en ionisant des atomes d’hydrogène et ils tournent en paquets dans le Super Proton Synchrotron.

Cliquez pour agrandir. Des physiciens du Cern devant les copies des écrans de contrôle dans la salle de conférence du Globe. Crédit : Laurent Sacco/Futura-Sciences

À 9 h 30, Evans donne le signal de l'injection d'un premier paquet dans le LHC à partir du SPS. A l'entrée, celui-ci traverse une plaque fluorescente ce qui donne un flash de lumière qu'une caméra retransmet sur les écrans de contrôle, y compris ceux de la salle de conférence où l'on peut discuter avec quelques chercheurs du Cern. Patiemment, les physiciens guident le faisceau de protons le long des 8 sections du LHC.

Avec précautions, ils permettent aux particules de les franchir par étapes pour pénétrer ensuite dans les différents détecteurs. Il faut en effet s'assurer que le faisceau soit bien stable et ne conduise pas, par exemple, à un échauffement des aimants dipolaires entourant le tube à ultra-vide (10 fois plus poussé que celui à la surface de la Lune) où celui-ci circule.

Ces aimants sont en effet supraconducteurs et refroidis à moins de 2 K. Un léger réchauffement conduirait à ce que les physiciens appellent, dans leur jargon, un « quenching ». Le dipôle perdrait son caractère supraconducteur et il faudrait stopper l'expérience le temps de le refroidir à nouveau en dessous de 2 K avec de l'hélium liquide, ce qui peut prendre des heures.

À 10 h 06, les physiciens testent le tube conduisant au bloc d'arrêt des faisceaux, un empilement de plaques de graphite de différentes densités vers lequel un faisceau menaçant de devenir trop instable sera rapidement extrait du LHC en moins de 0,3 ms.

À 10 h 17, le faisceau rejoint le détecteur Atlas et termine le premier tour complet quelques minutes plus tard sous un tonnerre d'applaudissements.

Cliquez pour agrandir. Des physiciens du Cern devant les copies des écrans de contrôle dans la salle de conférence du Globe. Crédit : Laurent Sacco/Futura-Sciences

Je m'étonne de n'avoir vu à chaque passage d'un écran fluorescent qu'un seul flash, alors que je croyais que le faisceau de protons serait constitué de près de 2.800 paquets passant en chaque point toutes les 25 ns. Un des chercheurs présent m'en donne l'explication. En fait, il n'y a qu'un « bunche » de protons que l'on fait circuler lentement dans le tube du LHC. De plus, non seulement celui-ci ne comporte qu'un milliard de protons, au lieu des 100 milliards qui seront présents dans un bunch standard, mais le LHC lui-même ne les accélère pas, les cavités accélératrices ne sont pas utilisées. Ce sera pour plus tard...

Je lui demande pour quand sont programmées les premières collisions. « C'est encore trop tôt pour le dire, il y a des tests à effectuer et ça peut prendre un certain temps » affirme-t-il. Dans la journée, Lyn Evans fera la même réponse lors d'une petite conférence avec questions, en direct de la CCC.

Une vue de la CCC. Crédit : Cern

Un peu plus tard, je profite d'un moment où John Ellis semble disponible pour m'en approcher. Je sais qu'il parle très bien le français, pour avoir discuter un peu avec lui il y a plusieurs années. Un peu intimidé, je l'avoue, je l'interroge sur la possibilité de créer des mini trous de vers avec le LHC. Il y a quelques mois, Irina Ya. Aref'eva et Igor Volovich avaient émis l'hypothèse que, si des mini trous noirs pouvaient être créés au LHC, alors peut-être aussi ces objets mythiques que les fans de SF connaissent bien depuis Stargate. Or, justement, Ellis est un des experts mondiaux de ces questions de structure en écume de l'espace-temps où des trous de vers apparaissent et disparaissent comme des particules virtuelles du vide quantique. Pour lui, la possibilité pointée par les deux chercheurs du prestigieux Steklov Mathematical Institute ne semble pas très crédible.


Cliquez pour agrandir. John Ellis posant pour une photo pour Futura-Sciences. Remarquez sur le T-shirt le lagrangien du modèle standard. Crédit : Laurent Sacco/Futura-Sciences

J'en profite aussi pour lui demander où en sont les recherches à propos de la théorie qu'il avait proposé avec Mavromatos pour tester la théorie des supercordes en faisant appel à des photons de très hautes énergies produits par des GRB (sursauts gamma) ou des AGN (noyaux actifs de galaxies). L'année dernière, l'observation d'un retard dans la propagation de photons gamma issus d'un événement cataclysmique dans le noyau actif de la galaxie Markarian 501, située à environ 700 millions d'années-lumière, avait fourni un premier indice en faveur de leur théorie. « Les expériences à ce sujet continuent , on verra bien » me répond-il.

Inutile de dire que si d'autres observations de ce genre se multipliaient en faveur de sa théorie, Ellis et son collègue décrocheraient sûrement le prix Nobel, à moins que d'autres preuves de la théorie des cordes, peut-être grâce au LHC, n'émergent entre-temps.

Deux des anciens directeurs du Cern regardant les opérations. Les Italiens Luciano Maiani et Carlo Rubbia (Prix Nobel de physique). Crédit : Cern

Préparation des premières collisions

L'après-midi, les chercheurs effectuent le second test crucial pour le fonctionnement du LHC. Il doit en effet y avoir deux faisceaux de protons circulant dans deux tubes à ultra-vide et qui se croisent dans les détecteurs pour réaliser des collisions. Ce matin, c'est le parcours horaire dans un seul de ces tubes qui a été réalisé. Pour que le test soit concluant, un nouveau faisceau doit parcourir l'autre tube en sens contraire. Là encore, on pouvait suivre la progression de l'opération en direct sur les copies des écrans de contrôle présents dans la salle de conférence du Globe de la science et de l'innovation.


Cliquez pour agrandir. Presque 15 h... En rouge la progression du second faisceau vers Atlas, tournant dans le sens contraire des aiguilles d'une montre, donc à l'envers du premier (en bleu). Crédit : Laurent Sacco/Futura-Sciences

L'opération se termine avec succès à 15 h 04 et Robert Aymar, après avoir exprimé sa satisfaction et ses félicitations, décide qu'il est temps de prendre une pause pour tous les chercheurs impliqués dans l'opération.

C'est le moment pour moi de rejoindre un des groupes autorisés à pénétrer dans le bâtiment de surface situé au-dessus de la caverne d'Alice, à plusieurs kilomètres de là. Lars Leistam, un des membres de la collaboration Alice, m'explique certaines des caractéristiques de ce détecteur où l'on fera entrer en collisions des faisceaux d'ions lourds pour observer le déconfinement des hadrons et la formation d'un plasma de quark-gluon, recréant une fournaise de plus de 2.000 milliards de kelvins à l'aube de l'Univers observable, quand celui n'était âgé que de moins d'un milliardième de seconde environ.

Cliquez pour agrandir. Lars Leistam expliquant une photo de la construction d'Alice. Crédit : Laurent Sacco/Futura-Sciences

Contenant davantage de fer que la Tour Eiffel, il est enfoui à près de 55 mètres. Le puits vertical y menant est obturé par une couche de béton pour isoler le détecteur du background de rayons cosmique et plus de 300 ordinateurs s'y empilent pour contrôler le détecteur. Ce dernier, très sensible, doit être maintenu à une température constante dont les fluctuations doivent être inférieures à 1°C. Le cahier des charges pour l'usinage des parties a stupéfié les industriels, pas du tout habitués à de telles exigences de précision sur des machines de cette taille. Nous pénétrons ensuite dans la salle de contrôle proprement dite où plusieurs chercheurs sont occupés.

Cliquez pour agrandir. La salle de contrôle d'Alice. Crédit : Laurent Sacco/Futura-Sciences
Cliquez pour agrandir. La salle de contrôle d'Alice. Crédit : Laurent Sacco/Futura-Sciences

Plus tard, au Globe, un des membres de la collaboration LHCb, m'explique que, même si ce détecteur a été spécifiquement conçu pour explorer la violation CP avec la production de mésons B (des mésons lourds comportant au moins un quark b), il est peut-être possible d'observer aussi le boson de Higgs. Ce dernier se désintègre de façon préférentielle en méson B si sa masse n'est pas trop lourde.

Le problème est que le LHCb ayant été construit pour partir à la recherche d'indices en rapport avec l'asymétrie matière-antimatière en cosmologie, et d'autres en liaison avec la supersymétrie. Il est de ce fait conçu pour observer des désintégrations plutôt parallèles au faisceau. Or, les modes de désintégrations en méson B du Higgs, si ce dernier existe, produisent des particules s'échappant selon un angle presque à la limite de l'ouverture du détecteur. A priori, le LHCb n'est donc pas un bon candidat pour découvrir le boson de Higgs, tâche dévolue à Atlas et CMS. Mais sait-on jamais...

Il est temps de partir. Je quitte le Cern avec le sentiment d'avoir assisté à l'équivalent du lancement des premières fusées Apollo en direction de la Lune. Avec de la chance, le plus beau et le plus incroyable est encore à venir dans les prochaines années !

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