Balade au CERN, le panthéon de la physique des particules

CERN, vue aérienne. Maximilien Brice (CERN) , CC BY-SA

Balade au CERN, le panthéon de la physique des particules

Le LHC vient de fêter ses 10 ans. L'occasion de partir en voyage au pays des particules élémentaires . Le CERN, centre européen de physique des particules, fut fondé à Genève en 1954 pour concevoir le plus puissant accélérateur de l’époque. C’est aujourd’hui le laboratoire mondial où ont pu travailler 12 000 utilisateurs, venant de tous les horizons. Sa dernière découverte majeure, le boson de Higgs, fut rendue possible grâce au collisionneur LHC (Large Hadron Collider) qui accélère deux faisceaux de protons à l’énergie record de 7 TeV dans une machine de 27 km de circonférence.

Une très matinale visite

Printemps 2010, cinq heures du matin à la grande horloge d’une immense salle de contrôles. La nuit de Genève se parsème d’étoiles, mais aucune fenêtre ne s’ouvre ici sur le monde. La salle est étanche aux influences extérieures, rien ne doit déranger la concentration d’une vingtaine d’officiants qui veillent comme à bord d’une navette spatiale à la conquête de mystérieux territoires. Les physiciens y vivent sous cloche, fixant des yeux des batteries d’écrans saturés de graphes multicolores. Des images projettent les reflets d’un appareillage géant qui palpite à cent mètres sous terre. Quand le drapeau vert s’affiche, tout est en ordre, rouge, il faut intervenir.

Sur un mur de cinquante mètres de long, d’énormes écrans informent du fonctionnement de l’immense instrument qui vibre au mitraillage de centaines de milliards de protons projetés contre d’autres protons. Des simulacres de collisions se succèdent à un rythme effréné. L’énergie d’un proton, de taille approchant le millionième de millionième de millimètre, équivaut à celle d’un moustique en vol. Cela semble dérisoire sauf qu’au total, jamais encore une telle densité d’énergie n’avait été produite par l’homme.

L’un des tunnels du LHC. Maximilien Brice (CERN), CC BY-SA

En un ballet ininterrompu, les interactions se succèdent. Des traces de particules se projettent, mais il n’y a dans le lot que très peu d’événements à retenir. Il faudra une laborieuse analyse pour extraire l’aiguille cachée dans la meule de foin. Laquelle ? Les chercheurs ont un but précis : ils sont à l’affût des premiers signes d’un nouvel objet essentiel à la compréhension de l’infiniment petit. Certains l’ont surnommée la particule de Dieu. Les physiciens l’appellent le boson de Higgs du nom de Peter Higgs, son « inventeur ». Il faut donc demeurer éveillé au milieu de la nuit pour ne pas manquer l’empreinte de cette hypothétique particule qui retient l’attention de la communauté depuis des décennies.

Le « Higgs » n’est qu’un objet microscopique parmi d’autres, aux côtés des leptons et des quarks. Il complétera la liste des corpuscules découverts au cours du dernier demi-siècle. Grâce à ses propriétés, le Higgs donne leur masse aux autres particules par effet de contact. Or une masse est obligatoire pour que les constituants s’agrègent et créent les objets matériels. Dans une certaine mesure, c’est la mère de toutes les particules à la base de l’Univers, d’où le sobriquet de particule de Dieu qu’un facétieux physicien, Prix Nobel de surcroît, lui donna dans un moment d’exaltation ou plutôt de plaisante ironie. Sans ce chaînon manquant, la théorie hégémonique de la physique microscopique, appelée « modèle standard », est boiteuse. Depuis des lustres, les physiciens croient à son existence car il rend cohérente la théorie. Plus prosaïquement, il permet d’éviter ce qu’on exècre au-dessus de tout : l’apparition de divergences dans les calculs. Car, plus que du vide, la physique a horreur des infinis.

C’est le paradoxe de cette nouvelle particule : à l’exclusion de sa masse, tout est connu d’elle. Avant qu’elle ne soit révélée formellement en 2012, les théoriciens prédisaient sa fréquence d’apparition quand deux protons se rencontrent de plein fouet. Pas souvent. Au mieux, pensaient les expérimentateurs, on identifiera quelques dizaines d’exemplaires en une année pleine, en surveillant les filets 24 heures sur 24. La particule naîtra au hasard, peut-être dans une heure, peut-être dans un mois, et l’analyse demandera beaucoup d’effort. On ne reconnaîtra pas d’emblée la présence espérée, la manifestation demeurera douteuse, il existe tellement de phénomènes parasites qui font croire à la signature recherchée. Il faudra accumuler les données, puis les confronter aux prédictions pour assurer l’identité de la prise. L’attente se prolongera ; pendant plusieurs années, les physiciens du jour arriveront à six heures pour relever les « shifters » de la nuit. Et à huit heures un silencieux homme de ménage passera son chiffon sur les tables pour remettre à zéro les compteurs. Tout doit être fin prêt pour la visite attendue, et tous travailleront de concert à l’accouchement du très recherché signal.

Pour cette quête de vérité, les physiciens ont imaginé les appareillages les plus élaborés permis par la technologie. Ils ont construit un monstre de 7 000 tonnes façonné aussi finement qu’un chef-d’œuvre ciselé par un maître orfèvre. Chaque point de l’immense instrument doit être connu à dix microns près pour espérer identifier le reflet du boson dans la multitude de traces sans signification. Le dispositif cristallise l’accomplissement de vingt ans d’effort de la part de milliers d’ingénieurs et de physiciens.

Moment de détente entre deux « manips ». Paco Calvino/Flickr, CC BY-NC-SA

Le grand public a senti l’enjeu : fréquemment, des troupes compactes de curieux visitent la remarquable salle. Ils s’entassent derrière une baie vitrée, éblouis par les batteries d’ordinateurs qui digèrent en continu le flot des données. Ils veulent être témoins de la pêche miraculeuse, photographiant les acteurs pour immortaliser la visite, comme dans un zoo où des animaux bizarres s’ébattent en un habitat reconstitué. Une fiche signalétique explique, non les mœurs des macaques, mais la motivation des personnages examinés : « Sous vos yeux s’activent les physiciens ; ce sont les nounous du détecteur : vérifications continuelles, réglages minutieux, contrôles inlassables… Ici les humains sont tributaires de la machine. »

Le nouveau collisionneur qui ronronne sous terre depuis 2008 reproduit l’état de la matière telle qu’elle existait 10-10 s après le Big Bang. Les collisions obtenues ambitionnent de cloner la Création, elles explorent les frontières du temps à un fil des origines. La recherche moderne n’est pas seulement une pratique ; elle est devenue une cérémonie semi-magique dont la célébration glorifie l’intelligence la plus pointue. La science est devenue une religion qui s’appuie sur la logique impitoyable des mathématiques. Elle semblait avoir balayé le rêve par son ascétique démarche. Devant une telle entreprise, le rêve se retrouve au cœur même de l’effort de connaissance.

Épilogue

4 juillet 2012. Le silence règne encore dans la grande salle blanche où les physiciens vissés devant les écrans inspectent toujours l’arrivée de quelques particules de Dieu. À l’autre bout de la planète, la conférence annuelle de la physique des hautes énergies a attiré le public des grands jours : on va y annoncer la retentissante découverte. Car la gigantesque machine a finalement accouché. Le signal ressemble fort à celui attendu : deux photons de haute énergie reconstruisent une particule aux caractéristiques anticipées. C’est heureux, car les théoriciens n’avaient pas de plan B prêt à sortir des tiroirs pour expliquer autrement l’apparition des masses des constituants.

L’évènement Higgs modélisé. Lucas Taylor/CERN, CC BY-SA

À dire vrai, le surnom de particule de Dieu est inapproprié. Le boson de Higgs n’est pas central dans la théorie, son invention parait ad hoc. Si un Nobel l’a associé au divin, un autre a proposé une image plus prosaïque, celle des latrines de l’édifice théorique, puisqu’il élimine d’inconfortables infinis dans les calculs. À chacun sa métaphore ! Quant à sa place dans le bilan de l’Univers, s’il octroie effectivement leur masse aux particules, la seule masse « nue » qu’il confère ne constitue qu’une faible part de la masse totale des protons et neutrons. L’essentiel est dynamique, la masse effective résulte du confinement des quarks à l’intérieur des nucléons. Au final, la contribution du Higgs au corps humain ne dépasse pas le kilogramme.

Mais pour le grand public, le sobriquet divin, accrocheur, entrouvre une porte mystérieuse sur le chemin de la connaissance. Il faut admettre qu’en physique de l’extrême le surnaturel n’est jamais très loin. Les idées aujourd’hui à la mode, qui voguent à cent lieues des préoccupations quotidiennes, le côtoient irrésistiblement. Des théories s’affrontent, prédisant de nouveaux phénomènes qui resteront hors de portée de toute vérification pendant des décennies sinon davantage. La spéculation s’évade graduellement du champ de l’épreuve expérimentale, elle tend vers la métaphysique.

Nous n’en sommes pas encore là puisqu’on a réussi la détection expérimentale du Higgs. Encore faut-il s’entendre sur le mot détecter. On ne « voit » jamais une particule ; on se limite à reconnaître des signaux qu’on interprète selon une certaine grille de lecture. La physique de l’extrême observe des ombres qui n’ont de sens que dans le cadre d’une théorie, et ceci rappelle l’enseignement de Platon. Une étape est donc franchie dans la conquête du savoir, une petite lacune se comble.

2018

Après de multiples vérifications, il apparaît que la remarquable découverte clôt une glorieuse histoire,et couronne magistralement le modèle standard né dans les années 1970 : toutes les manifestations du nouveau boson sont en accord avec la prédiction. Mais rien n’indique la route désormais à suivre. Pour aller plus loin, faudra-t-il construire une machine encore plus grande, plus dispendieuse, servie par une armée scientifique encore plus pléthorique ? Le progrès s’acquiert de plus en plus laborieusement. Un jour, l’homme, dépassé par l’effort à consentir, renoncera à tout comprendre.

Pourtant, l’heure n’est pas encore venue de gâcher notre plaisir. Pour quelque temps encore, la recherche fondamentale va continuer à donner tout son sens à l’aventure humaine. Sur un front ou sur un autre, il reste l’espérance, et le CERN peut encore surprendre. Supersymétrie, extra-dimensions, cordes, ces notions bouleversantes seront évaluées à l’aune de tests précis.

Représentation artistique de la théorie des cordes. skepsifera, CC BY

Les sceptiques continueront à questionner toute cette agitation. De crises sociales en guerres ouvertes, l’humanité poursuit son chemin et la recherche obstinément avance. Vaille que vaille, le progrès creuse son sillon. Dans la cacophonie apparente, un savoir toujours plus subtil se bâtit. Une telle quête a priori gratuite semble n’avoir d’autre raison que l’accomplissement d’un mystérieux dessein. Alors, lisons Ippolito Nievo :

« Apprendre le plus possible, telle doit être la loi suprême qui régit les âmes. Cette inextinguible soif de comprendre qui nous tourmente jusqu’à nos derniers instants ne nous vient pas de la raison individuelle. Il se pourrait bien qu’elle relève de la nécessité d’un ordre plus vaste. Efforçons-nous donc, encore et toujours ! »

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