Sans même avoir recours à une boule de cristal, on peut prédire ce que l ‘on peut espérer des expériences du Grand Collisionneur de Hadrons (ou LHC) au CERN pour 2012.
En ce moment, l’accélérateur est à l’arrêt pour procéder à l’entretien annuel. C’est l’occasion de réparer ou changer tout ce qui a cassé durant l’année précédente, tant pour le LHC que pour les détecteurs. Ceux-ci ont été ouvert et tout ce qui est accessible est réparé.
Tout le long des 27 km du tunnel du LHC, les géomètres réalignent les aimants avec précision pendant que de multiples réparations et opérations d’entretien prennent place. Dès le début mars, tous les aimants devront avoir été refroidis et être prêts à redémarrer.
Du côté des expériences, les scientifiques s’affairent non seulement sur les détecteurs, mais aussi améliorent tous les aspects de leurs logiciels: la simulation des détecteurs, les algorithmes de reconstruction des évènements, les critères d’identification des particules et les techniques d’analyses sont tous revisités.
Fin mars, le LHC reprendra les collisions de protons avec pour but de fournir environ 16 femtobarn inverses de données en 2012, soit bien plus que les 5 femtobarn inverses délivrés l’an dernier. Ces données permettront aux expériences d’améliorer la précision de toutes les mesures effectuées jusqu’à maintenant, pousser les limites des recherches de particules nouvelles un petit peu plus loin et explorer des phénomènes nouveaux. On espère découvrir des particules associées à de nouveaux phénomènes de physique encore inconnus. Les physiciennes et physiciens de CMS et ATLAS traquent des dizaines de ces particules, le boson de Higgs étant de loin le plus médiatisé mais tout de même, qu’une particule parmi tant d’autres.
Quand les protons se collisionnent dans l’accélérateur du LHC, l’énergie dégagée peut se matérialiser sous forme de particules massives et instables. C’est ce que décrit la célèbre formule E=mc2, qui prédit tout simplement que l’énergie (représentée par E) et la masse (m) sont équivalentes et peuvent se changer l’une en l’autre. Le symbole c2 représente le carré de la vitesse de la lumière et agit comme un facteur de conversion. Ceci explique pourquoi en physique des particules on mesure la masse des particules en unité d’énergie comme le GeV (giga-électronvolt) ou TeV (téra-électronvolt). L’électronvolt est l ’énergie acquise par un électron en traversant une différence de potentiel d’un volt.
Il est donc plus facile de créer des particules légères que des lourdes. Au fil des décennies, on a pu observer les particules les plus légères des zillions de fois dans plusieurs expériences. On peut donc prédire précisément combien les évènements qu’on récolte avec nos détecteurs devraient en contenir. On décèle la présence de nouvelles particules lorsqu’on observe plus d’évènements ayant une certaine topologie que ce à quoi on s’attend venant des phénomènes bien connus, ce que l’on appelle le bruit-de-fond.
Bien sûr, plus l’excédent est grand, plus on est certain qu’on a affaire à une nouvelle particule. C’est d’ailleurs pourquoi on cherche toujours à accumuler de plus en plus d’évènements, chacun étant une photo instantanée montrant les particules émergeant des collisions de protons. Il faut toujours s’assurer que l’excès n’est pas simplement causé par une variation aléatoire du bruit-de-fond.
Certaines des particules recherchées devraient être assez légères, dans les centaines de GeV. C’est le cas pour le boson de Higgs dont les signes possibles de sa présence nous sont apparus en décembre. Si les petits excès observés continuent à augmenter au fur et à mesure que plus de données seront disponibles, on devrait en récolter suffisamment en 2012 pour clamer sa découverte ou l’exclure à jamais, le cas échéant.
D’autres de ces particules hypothétiques pourraient avoir une masse dans les milliers de GeV, soit quelques TeV. En 2011, l’accélérateur fournissait 7 TeV d’énergie au point de collision. On ne peut produire que les particules dont la masse est inférieure à l’énergie disponible, tout comme on ne peut pas acheter une voiture de 7000 CHF avec seulement 5000 CHF en poche. Alors si on espère créer une paire de particules ayant chacune une masse de 3.5 TeV (ou 3500 GeV), il faut au minimum fournir 7 TeV pour les produire. Mais comme l’énergie fournie est partagée entre plusieurs particules en général, cette limite est souvent plus basse que l’énergie de l’accélérateur.
Certaines discussions sont en cours pour voir si le LHC pourrait opérer à 8 TeV cette année au lieu de 7 TeV comme en 2011. La décision sera prise début février.
Si le CERN décide d’opérer à 8 TeV, les chances de trouver des particules plus lourdes augmenteront légèrement puisqu’il y aura plus d’énergie disponible. Ce sera le cas pour les recherches pour le W’ et le Z’, une version en plus lourd de deux bosons courants, le W et le Z. Pour de telles recherches, accumuler plus de données a moins d’impact que d’augmenter l’énergie disponible. Mais il faudra sans doute attendre en 2015 lorsque le LHC atteindra enfin sa pleine puissance de 13 ou 14 TeV pour pousser encore beaucoup plus loin les limites sur ces particules.
Pour LHCb et ALICE, le but principal n’est pas de trouver de nouvelles particules. LHCb tente plutôt de faire des mesures ultra précises afin de déceler la moindre faille dans le modèle théorique actuel, le modèle standard de la physique des particules. Pour ce faire, disposer de plus de données fera toute la différence. Déjà en 2011, LHCb a repéré les premiers signes impliquant la violation de parité impliquant des quarks charmés et toute l’équipe espère confirmer cette observation.
Cette mesure et d’autres similaires apporteront de nouveaux éléments pour comprendre pourquoi la matière a pris le dessus sur l’antimatière durant l’expansion de l’univers, alors qu’elles ont dû être créées en quantités égales lors du Big Bang. Ils vont aussi développer différentes techniques d’analyses et explorer de nouvelles avenues.
Pour les chercheur-e-s d’ALICE, l’analyse des données de 2011 récoltées en novembre avec des collisions d’ions de plomb est en marche. On y apprendra peut-être encore mieux comment le plasma de quarks et gluons s’est formé tout de suite après le Big Bang. Cette année, on aura aussi droit à des collisions entre protons et ions de plomb, ce qui ajoutera une nouvelle corde à leur arc.
Donc, en résumé, explorer de nouvelles avenues et méthodes d’analyse, réduire les marges d’erreurs sur toutes les mesures et presque sans aucun doute, obtenir le fin mot de l’histoire sur le boson de Higgs. Ou on le trouvera sans équivoque, ou on le réfutera à tout jamais. Espérons qu’en 2012 le dragon chinois, symbole de persévérance et de succès, récompensera nos efforts.
Pauline Gagnon
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