Les enjeux scientifiques du LHC

Le collisionneur LHC équipé de ses détecteurs de particules va permettre d’accroitre notre connaissance de la nature en explorant un vaste domaine qui est encore une « terra incognita »…
Nous allons faire un grand pas dans l’infiniment petit mais ce collisionneur est aussi une formidable machine à remonter le temps pour essayer de comprendre les tout premiers instants de l’Univers.

Le modèle standard de la physique des particules

Le modèle standard de la physique des particules est la théorie qui décrit la structure ultime de la matière ; elle a été élaborée dans les années 1960-70, et propose la meilleure description que l’on connaisse pour l’instant des constituants élémentaires de la matière et des forces qui s’exercent entre eux.

Dans ce modèle, les particules élémentaires se classent en particules de matière, aussi appelées fermions, et en particules médiatrices des forces, les bosons.

Il y a trois familles de particules de matière, chaque famille comprenant deux quarks (constituants ultimes des noyaux atomiques), les composants des nucléons (proton ou neutron) qui forment les noyaux atomiques, et deux leptons (particule de la famille de l'électron, insensible à l'interaction forte), l’un chargé (comme l’électron ou le muon : particule semblable à l'électron, mais plus lourde) et son neutrino associé (particule élémentaire qui interagit très faiblement, il en faut des milliards pour en détecter un). Toutes les particules de matière ont également un équivalent en antimatière, une forme de matière en quelque sorte « inversée », qui a des caractéristiques, comme la charge, inversées.

Les quatre interactions fondamentales sont véhiculées par leurs bosons "intermédiaires" : le photon pour l’interaction électromagnétique, les W et Z pour l’interaction nucléaire faible, les gluons (transmettent l'interaction forte entre les quarks) pour l’interaction nucléaire forte. La gravitation est véhiculée par le graviton, mais ne peut être décrite dans le formalisme quantique actuel.

Le modèle standard fait également appel à un certain nombre de paramètres définissant les couplages entre ces différentes particules. Seuls les quarks ne sont jamais observés directement, mais toujours par assemblage soit de trois quarks (les baryons, comme le proton ou le neutron), soit d’un quark ou d’un antiquark (les mésons, comme le pion ou le kaon).

Les grandes questions de la physique des particules

Depuis 1973, avec la découverte des « courants neutres » (interactions faisant intervenir le boson Z) qu’il avait prédits, le modèle standard été vérifié dans de nombreuses expériences, et jamais mis en défaut. Cependant les théoriciens le considèrent comme incomplet car il reste encore un grand nombre de questions dont certaines réponses sont peut-être au-delà de ce modèle :

• Quelle est l’origine de la masse ?

Le modèle standard possède un mécanisme dit « de brisure de symétrie » qui donne la masse aux particules élémentaires que nous connaissons. Ce mécanisme fait apparaître une particule appelée boson de Higgs (particule élémentaire prévue par le Modèle standard, mais qui n’a encore jamais été observé), la « déesse-mère » de toutes les autres particules. Mais nous n’en connaissons pas la masse. Le collisionneur LHC devrait permettre d’observer cette particule hypothétique et d’en mesurer sa masse.

• Pourquoi l’antimatière est-elle si rare ?

Au début du big bang, matière et antimatière étaient en quantités égales mais aujourd’hui l’antimatière semble être très rare. C’est en étudiant des processus particuliers dans les collisions des particules du LHC que l’on aura une compréhension plus fine du processus par lequel ce déséquilibre à dû se produire. L’une des expériences du LHC est dédiée à cette recherche.

• Peut-on comprendre la soupe primordiale de l’Univers ?

Aux premiers instants de l’Univers la température était très élevée et les densités très fortes, le LHC est capable de recréer ces conditions où les particules élémentaires (quarks et gluons) ne sont pas confinées mais se propagent librement dans un nouvel état de la matière que l’on appelle un « plasma de quarks et gluons » et une expérience sera dédiée à cette étude.

• Les particules supersymétriques existent-elles ?

A des énergies bien plus grandes que celle que pourra atteindre le collisionneur, les interactions fortes et les interactions électrofaibles pourraient ne constituer qu’une interaction unique… Actuellement les théories supersymétriques qui prévoient une symétrie entre les particules élémentaires constituant la matière et les médiateurs des interactions, apppelée « supersymétrie », pourraient conduire à cette unification. Dans ce cas il devrait exister des particules « supersymétriques » partenaires des particules élémentaires actuellement connues, et les plus légères d’entre-elles devraient alors apparaître dans les collisions de protons du LHC.

• Qu’est-ce-que la matière noire ?

Les observations astrophysiques indiquent qu’une grande partie de l’Univers serait constituée d’un type de matière qui n’émet pas de rayonnement électromagnétique, il est appelée « matière noire ». Nous ne pouvons le percevoir qu’au moyen d’effets gravitationnels mais les physiciens des particules possèdent dans leurs théories supersymétriques une particule appelée « neutralino » qui pourrait expliquer l’origine de cette « matière noire ». Cette particule pouvant être produite dans les collisions de haute énergie, le LHC pourrait permettre de la découvrir.

• Notre espace-temps a-t-il plus de quatre dimensions ?

Les grandes théories qui permettent d’aller jusqu’à l’unification de l’interaction gravitationnelle avec toutes les autres s’appuient principalement sur la théorie des « supercordes », mais celle-ci requiert un nombre de dimensions bien supérieur aux quatre de l’espace-temps considéré jusqu’alors, c’est un univers à dix dimensions. Le LHC pourrait permettre de confirmer l’existence de ces dimensions supplémentaires.

Pour en savoir plus :

LHC, l’épreuve de vérité pour la physique ? conférences à la Cité des Sciences et de l’Industrie en sept 2007, visionnables et téléchargeables en ligne.
Pour aller plus loin, lire "Qu’est-ce que la masse ?" (pdf) extrait de la revue Elementaire
Ecouter les podcasts de Ciel et Espace Radio intitulés "Matière noire, Energie Sombre : à l’aube d’une révolution".
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