Comme le veut le vieux adage de la physique, pour répondre aux grandes questions, il faut bâtir de grandes machines. Sur ce principe, le Grand collisionneur de particules (LHC) du CERN a véritablement tenu ses promesses sur tous les fronts au cours de ses seize dernières années d’exploitation. En tant que plus grand et plus puissant accélérateur de particules de l’humanité, le LHC a participé à plusieurs découvertes ayant valu un prix Nobel, dont la confirmation du boson de Higgs. Il a été un laboratoire pour les physiciens du monde entier afin d’explorer les régimes les plus extrêmes de la nature — une recherche qui a parfois donné lieu à des trouvailles étranges frôlant l’alchimie moderne.
Mais tout n’a pas été parfaitement rose. Beaucoup espéraient qu’un système aussi colossal et performant que le LHC puisse révéler une physique au-delà du Modèle Standard de la physique des particules. Ce ne fut pas le cas. Les physiciens l’ont bien remarqué, certains allant jusqu’à qualifier ce manque de « nouvelle physique » de leur « scénario cauchemardesque ».
Entre-temps, le mois dernier, le LHC est officiellement entré en hiatus pour la Long Shutdown 3. Comme son nom l’indique, ce n’est pas sa première grande pause, mais c’est sans doute la plus importante vacances pour l’accélérateur. À son retour en 2030, il portera un nouveau nom : le Grand collisionneur de hadrons à haute luminosité. Et avec son lancement, naturellement, les questions recommenceront à se poser : trouvera-t-on cette fois une nouvelle physique ?
Pour Giz Asks, nous avons demandé à des experts de démêler les subtilités de cette question. En quoi le High-Luminosity LHC sera-t-il différent ? Que attendent les physiciens qu’il puisse raisonnablement découvrir — ou ne pas découvrir ? En tant qu’experts, quelles questions espèrent-ils personnellement explorer ? Les réponses ci‑dessous ont peut-être été légèrement éditées pour gagner en clarté et en concision.
Daniel Tapia Takaki
Physicien nucléaire de l’énergie élevée, Université du Kansas.
Ce qui me passionne particulièrement, c’est la possibilité que la surprise provienne de nouvelles façons d’examiner les données elles-mêmes. Il y a aujourd’hui un intérêt énorme pour la découverte assistée par l’IA, et combiner l’IA avec des ensembles de données bien plus volumineux et des détecteurs plus puissants pourrait révéler des structures qui pourraient échapper à des analyses conventionnelles. Mais je suis surtout intéressé par aller plus loin et développer des approches véritablement indépendantes de tout modèle.
Un exemple tiré de mes travaux est la tomographie quantique. Nous avons passé des décennies à produire des systèmes quantiques sur des collisionneurs. Nous commençons maintenant à nous demander si nous pouvons les reconstruire comme des systèmes quantiques. Chaque collision au LHC est fondamentalement mécanique quantique, mais traditionnellement nous ne reconstruisons qu’une partie de cette histoire quantique à partir des particules qui émergent de la collision. La tomographie quantique inverse la question : pouvons-nous utiliser ces particules pour reconstruire une image plus complète du système quantique qui les a produits ?
Nedaa Alexandra Asbah
Membre du personnel de recherche avec l’expérience ATLAS, le programme généraliste de physique des particules du CERN.
Le Grand collisionneur à haute luminosité (HL-LHC) est une mise à niveau majeure du LHC existant qui permettra à ATLAS de collecter environ six fois plus de données qu’aujourd’hui, ouvrant une nouvelle ère de mesures de précision et de recherches sur des phénomènes rares. Pour fonctionner dans cet environnement beaucoup plus exigeant, le détecteur ATLAS subit d’importantes améliorations, dont un tout nouveau tracker interne pour un suivi précis des particules, le Détecteur de Temps à Haute granularité pour aider à distinguer des centaines de collisions protoniques simultanées, et un système de déclenchement et d’acquisition de données repensé capable de traiter bien plus d’informations en temps réel.
ATLAS prévoit d’enregistrer environ 180 millions de bosons de Higgs, ce qui nous permettra d’étudier leurs propriétés avec une précision sans précédent et de rechercher même les plus petites déviations par rapport aux prédictions du Modèle Standard. Des mesures particulièrement importantes incluront l’interaction entre le boson de Higgs et le quark top, la particule élémentaire la plus lourde connue, ainsi que la production extraordinairement rare de deux bosons de Higgs, qui fournit des informations directes sur l’auto-interaction du Higgs.
Le HL-LHC produira également des milliards de quarks top et d’immenses échantillons d’autres particules, offrant de nouvelles opportunités pour rechercher des phénomènes qui ont jusqu’à présent échappé à la détection. Le traitement de ces ensembles de données sans précédent exigera des avancées majeures en informatique, l’intelligence artificielle et l’apprentissage automatique jouant un rôle de plus en plus important dans la reconstruction des particules, la sélection des collisions intéressantes et l’analyse efficace des données.
Bien que les nouvelles découvertes ne puissent jamais être garanties, le HL-LHC nous permettra de tester notre compréhension actuelle de la physique des particules de manière plus rigoureuse que jamais et potentiellement de déceler des indices sur une physique au-delà du Modèle Standard.
John Jowett
Physicien des accélérateurs au GSI Darmstadt; actuellement membre de la collaboration ALICE, le programme de physique des ions lourds du CERN.
Le but principal du HL-LHC est d’augmenter le taux de collisions proton-proton — et la capacité des expériences à les analyser — afin d’explorer ce qui se cache au-delà du Modèle Standard, ce label plutôt banal pour ce qui est sans doute l’ouvrage intellectuel le plus ambitieux de l’humanité. Le LHC a déjà soumis le Modèle Standard à des tests extraordinairement précis, y compris la découverte marquante du boson de Higgs.
Mais la physique est vaste, et les surprises véritablement authentiques apparaissent souvent dans ses nombreux sous-domaines même lorsqu’ils restent compatibles avec le Modèle Standard à un niveau fondamental. C’est le cas au LHC lui-même. Dans les collisions d’ions lourds, par exemple, nous observons une riche variété de phénomènes émergents dans la physique du plasma quark–gluon (QGP). En faisant collisionner des faisceaux de noyaux lourds, nous pouvons recréer de minuscules gouttelettes de cette substance incroyablement chaude, dense et étrange qui a rempli l’univers dans ses tout premiers microsecondes. Le pouvoir de le faire, même de façon éphémère, en laboratoire me semble encore miraculeux.
Les physiciens d’ALICE et des autres expériences du LHC ont déjà découvert des phénomènes qu’ils n’avaient pas anticipés. Les plus marquants concernent l’émergence d’un comportement collectif dans la matière hadronique. Mais il y a tellement plus, allant du destin des quarks lourds dans le QGP à la détection des plus lourds anti- et hyper-nucléis et aux effets de champs électromagnétiques extrêmes. Avec une luminosité plus élevée, une technologie de détection innovante et, potentiellement, de nouveaux noyaux dans les faisceaux, nous pouvons espérer une abondance de physique intéressante dans les années à venir.
Filip Moortgat
Physicien de recherche sur l’expérience CMS, le programme polyvalent du CERN dédié à l’étude des particules subatomiques, de la matière noire et des dimensions supplémentaires.
Le Grand collisionneur de hadrons à haute luminosité est une mise à niveau majeure du plus grand accélérateur de particules du monde, au CERN, et devrait débuter ses opérations en 2030. Pensez-y comme à un microscope le plus puissant de l’univers, multiplié par au moins cinq. Le HL-LHC générera un total combiné de 380 millions de bosons de Higgs au cours de sa vie dans les expériences ATLAS et CMS. Le boson de Higgs (découvert au CERN en 2012) est la particule qui confère leur masse aux autres particules, et comprendre pleinement ses propriétés est l’une des plus grandes priorités de la physique des particules. Un objectif clé est enfin d’observer des événements « di-Higgs », où deux bosons de Higgs sont produits ensemble — une occurrence très rare qui survient seulement une fois par mille bosons de Higgs. Cela est important car cela permet aux scientifiques de mesurer directement comment le Higgs interagit avec lui-même, ce qui révèle la véritable forme du champ de force responsable de donner leur masse aux particules. Cette mesure pourrait confirmer nos théories actuelles sur l’évolution de l’univers ou, plus excitant encore, indiquer un nouveau type de physique au-delà de ce que nous comprenons actuellement.
Au-delà de l’étude du boson de Higgs, le HL-LHC traquera également d’autres particules qui ne nous ont pas encore été découvertes. La priorité absolue est la recherche de matière noire — la substance invisible qui représente environ 85 % de toute la matière de l’univers mais qui n’interagit jamais avec la matière ordinaire de façons que nous puissions détecter facilement. Avec l’immense quantité de données produites par le HL-LHC, et avec des détecteurs nettement améliorés, les physiciens des expériences ATLAS et CMS espèrent repérer des signes de matière noire en examinant des collisions où une partie de l’énergie produite disparaît sans laisser de traces vers des particules invisibles. Cela pourrait enfin nous donner un indice sur ce qu’est réellement la matière noire.
En résumé, le HL-LHC est notre meilleur pari proche pour regarder derrière le rideau de la réalité, tester si notre compréhension de l’univers est correcte ou si quelque chose de fondamentalement nouveau attend d’être découvert.
Alessandro Tricoli
Physicien de recherche, Brookhaven National Laboratory.
Lorsque j’étais jeune scientifique, attendant le démarrage du LHC, j’étais à la fois excité et appréhensif — et si quelque chose ne se passait pas comme prévu ? J’étais dans la salle de contrôle d’ATLAS en 2009 lorsque le LHC injectait ses premiers faisceaux, et je me souviens de l’anxiété à l’approche des données, puis du soulagement et de la joie lorsque nous avons finalement vu les traces des particules sur les écrans de la salle de contrôle. Cette progression des données a finalement conduit à la découverte du boson de Higgs en 2012 — bien que prouver qu’il possède exactement les propriétés prévues par le Modèle Standard soit une histoire encore en cours d’écriture, et que le mot final viendra du HL-LHC. Aujourd’hui plus expérimenté et participant à la construction du HL-LHC, je ressens le même mélange d’excitation et d’appréhension.
Avec une augmentation d’un ordre de grandeur des données, nous mesurerons les interactions du boson de Higgs à une précision au pourcentage près, y compris s’il interagit avec lui-même. S’il correspond exactement aux prédictions du Modèle Standard, ce sera tout aussi profond que si ce n’est pas le cas : un Higgs « vanilla » laisse toutefois ouvertes des questions telles que l’origine de la matière noire, tandis que toute déviation pointerait le Higgs comme une porte vers une nouvelle physique. Au-delà du Higgs, l’augmentation de dix fois des statistiques, associée à de nouveaux détecteurs et techniques, nous permettra d’explorer des processus rares qui étaient tout simplement invisibles lors du LHC initial — des recherches de nouvelles particules de matière et de forces à l’échelle TeV qui touchent directement à la matière noire et à la nature des neutrinos.
Nous vivons aussi un moment excitant car l’histoire du HL-LHC n’est pas isolée: le Brookhaven National Laboratory construit l’Electron-Ion Collider (EIC), qui sera opérationnel quelques années après le démarrage du HL-LHC et dont les résultats seront profondément complémentaires. L’EIC agit comme un scalpel de précision sur les protons et les ions lourds pour comprendre la force forte — la plus forte des forces de la nature, et pourtant de bien des points la moins comprise — en cartographiant la structure interne des protons et des ions lourds avec une précision que le LHC lui-même ne peut atteindre. Comme le HL-LHC fait collisionner des protons entre eux, comprendre cette structure interne et les propriétés de la force forte est essentiel pour interpréter ses données et séparer la vraie nouvelle physique des fonds du Modèle Standard.
Il existe même des scénarios où l’EIC pourrait découvrir de nouvelles particules légères et faiblement couplées inaccessibles directement au HL-LHC. C’est un moment rare où deux colliders phares partagent des technologies de détecteurs et d’accélérateurs profondément croisées — offrant à une nouvelle génération de scientifiques la possibilité de travailler sur les deux frontiers en même temps. Nous pouvons utiliser l’héritage d’expériences comme le LHC au CERN et le RHIC à Brookhaven — tous deux viennent de conclure leurs opérations actuelles — comme tremplins pour développer de détecteurs plus puissants afin d’explorer l’inconnu avec le HL-LHC, le EIC et éventuellement le Future Circular Collider (FCC).
Il existe une forte fertilisation croisée entre les technologies utilisées à travers l’EIC, le HL-LHC et le FCC, aussi bien pour les accélérateurs que pour les détecteurs. Les jeunes scientifiques ont une opportunité unique de participer à la R&D, à la construction et à l’analyse des données dans plusieurs expériences de collision à la fois. Les technologies en cours de développement auront aussi un impact plus large au-delà de la physique des particules — dans les sciences spatiales, la chimie et la biologie, ainsi que dans le traitement et le diagnostic des maladies telles que le cancer, par exemple grâce à la radiothérapie.
Tim Gershon
Physicien des particules, Université de Warwick, Royaume-Uni ; porte-parole de l’expérience LHCb, le programme d’antimatière du CERN.
Il est vrai qu’il n’y a pas encore de preuve évidente de physique au-delà du Modèle Standard (ou « Nouvelle Physique » dans notre jargon) au LHC jusqu’à présent. Mais il y a eu plusieurs anomalies intrigantes, où les données semblent ne pas correspondre aux prédictions du SM, mais nous ne pouvons pas l’affirmer avec certitude en raison des incertitudes des prédictions elles-mêmes. Deux éléments méritent d’être mentionnés : (i) les taux et les distributions angulaires des rares désintégrations des mésons B tels que B0 → K*0 μ+ μ-, et (ii) les différences entre le comportement des versions matière et antimatière des mésons D. Ce qui est particulièrement excitant à propos de tout cela, c’est que l’énorme augmentation des échantillons de données qui sera fournie par le HL-LHC, notamment après la mise à niveau du détecteur LHCb, offre des moyens de réduire à la fois les incertitudes théorielles et expérimentales. Ainsi, avec des mesures améliorées, il se peut que la « Nouvelle Physique » ait été cachée en plein jour tout ce temps !
Il convient également de souligner que le programme de physique du LHC et du HL-LHC n’a jamais été « nouvelle physique ou rien ». Les résultats du LHC ont conduit à une compréhension bien plus profonde du SM, qui dans certains cas inclut des phénomènes totalement nouveaux. Un bon exemple est l’incroyable nombre de nouveaux états hadroniques découverts au LHC, principalement par LHCb. Ceux-ci incluent de nouveaux types d’hadrons conventionnels, tels que le triplet de baryons doublement charmés dont les deux derniers ont été découverts cette année. De plus, le LHC a découvert des hadrons liés de manières jusque-là inconnues — les soi-disant tetraquarks et pentaquarks. Le HL-LHC offrira un terrain fertile pour davantage de découvertes et de surprises dans ce domaine.
Giz Asks est une série récurrente de Gizmodo dans laquelle des experts répondent à de grandes questions avec leurs propres mots, offrant une variété de points de vue sur les idées, découvertes et débats qui influent sur nos vies et façonnent notre compréhension du monde.
