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2 novembre 2015

Le CERN, au coeur de la matière

Après deux ans de travaux, l’accélérateur de particules LHC, qui a redémarré ce printemps, a doublé sa puissance. Cette optimisation devrait, d’après les scientifiques, permettre de nouvelles découvertes sur la composition de l’univers.

Le LHC du CERN photo
Une simulation d’ordinateur représentant les collisions de particules à l’intérieur du LHC.

Centre d’expérimentation ATLAS, Meyrin. C’est le seul point d’accès côté suisse de ce si fameux et pourtant si mystérieux anneau de 3,8 mètres de diamètre et de 27 kilomètres (enfin 26,659 pour être précis) de circonférence, caché à 100 mètres sous terre dans la plaine lémanique entre Genève et la France, sous le Pays de Gex. «Il faut rappeler que le CERN reste le plus grand centre de physique des particules du monde», sourit Hans Peter Beck. Allure d’ex-hockeyeur plutôt que du spécialiste de l’infiniment petit, ce professeur de physique de l’Université de Berne poursuit ses recherches auprès de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire depuis 1997.

Le physicien Hans Peter Beck est confronté à des problèmes qui n’existent nulle part ailleurs.

Au printemps, après deux ans de travaux de maintenance et d’amélioration, le LHC a redémarré deux fois plus puissant qu’avant. L’acronyme n’a pas grand-chose à voir avec l’équipe de hockey lausannoise: cet accélérateur de particules (LHC signifiant Large Hadron Collider) a pris la place du LEP fin 2008. La différence? Pour faire très simple, «ce sont des protons – de la famille des hadrons – qui sont accélérés pour produire des collisions, alors que le LEP faisait entrer en collision des électrons avec des positrons.»

Comprendre l’univers et ses origines

Le but? Rien de moins que de «comprendre comment fonctionne l’univers. Car tout ce qui le compose, les galaxies, les planètes et tout ce qu’il y a dessus, y compris les liquides et les gaz, se base sur les particules.» Coût total du projet, y compris la masse salariale: dans les 6 milliards de francs suisses. Forcément, s’attaquer à la composition des étoiles demande du lourd, comme dirait l’un des milliers de jeunes visitant le CERN chaque année. L’endroit reçoit plus de 6000 utilisateurs annuels. Chaque jour, autant de personnes – et parfois jusqu’à 8000 – travaillent sur le site. Parmi eux, 2500 employés dont une centaine de physiciens. «Chacun parle dans sa langue, mais l’anglais reste la “lingua franca” dans le monde scientifique. A ATLAS, mes collègues viennent de trente-huit pays.

Le LHC, de 27 km de circonférence, est enterré à 100 mètres sous terre, entre Genève et la France.

Chaque année, un millier de jeunes chercheurs viennent se confronter ici à des problèmes qui n’existent nulle part ailleurs. La plupart quittent le monde académique après leur stage ou leur doctorat; et leur passage au CERN leur donne alors un grand potentiel d’innovation. La médecine de pointe, par exemple, profite d’inventions qui proviennent directement de la physique des particules comme le scanneur PET.»

Comment ça fonctionne? Des milliers d’aimants – certains dépassent les 14 mètres – guident les protons «un peu comme sur une piste de bobsleigh. La vitesse? Les deux faisceaux de particules tournent à une vitesse proche de celle de la lumière dans deux tubes jumelés, accélérés en sens inverse par des champs électriques dans des cavités accélératrices. «Un peu comme ce qui se passe dans un micro-ondes», explique Hans Peter Beck. Des aimants supplémentaires dirigent les faisceaux aux quatre points d’intersection des tubes où se produisent les collisions.

Le Centre de contrôle du CERN.

Une partie de la difficulté de l’entreprise réside dans le courant électrique très important qu’il faut obtenir pour «courber le faisceau de protons» à une vitesse suffisante avec les électroaimants. «Avec une technologie conventionnelle, cela produirait une chaleur considérable, qui ferait tout fondre. La seule solution est d'utiliser ce que l’on appelle la supraconductivité.» Dont la première manifestation a été observée en 1911, soit dit en passant. Grosso modo, le courant électrique peut grâce à elle circuler sans dissipation de chaleur ou presque. Reste que cela ne fonctionne qu’à très basse température. Genre -271,3 degrés, obtenus grâce à quelques dizaines de tonnes d’hélium qui mettront… six semaines à y parvenir.

Des collisions à la vitesse de la lumière

Dans ce boyau circulaire sont injectés des «paquets de protons» tous les 7,5 mètres, préalablement accélérés grâce à tout un système de préaccélérateurs à 450 GeV (pour giga-électron-volts). Dans le LHC, ils finissent par atteindre une vitesse proche de celle de la lumière, chaque paquet n’étant alors plus séparé que par quelques dizaines de nanosecondes. «Autrement dit, à pleine vitesse, les faisceaux de protons – chacun contenant 2808 paquets de particules et avec 100 milliards de protons dans chaque paquet – parcourent les 27 kilomètres 11  000 fois par seconde. Ce qui nous permet d’observer environ… 600 millions de collisions par seconde également», détaille le physicien, sûr de son effet.

Les 11 000 serveurs indispensables à la gestion et à l’exploitation des informations des incroyables expérimentations de la physique des particules qui se déroulent au sein du LHC.


Dans chacun des quatre grands détecteurs dont ATLAS (une collaboration de 178 universités de 38 pays dont les Universités de Berne et Genève pour la Suisse), une batterie de spécialistes mènent des expériences complémentaires mais différentes. En 2012, c’est ici qu’a été par exemple démontré la possibilité d’exciter le champ de Higgs, soit le fameux boson de Higgs créé par l’énergie de collision. Plus petit, le LHC-b, où s’active l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) dans une collaboration de 67 universités de 15 pays, se concentre davantage sur l’antimatière. Dans Anges & Démons, Tom Hanks, sous les traits du professeur Robert Langdon, a bien du mal à récupérer une arme dévastatrice créée dans un laboratoire secret du CERN grâce à cette fameuse
antimatière.

La peur du trou noir

Autant dire que le film fait partie des classiques fous rires de la maison. Le livre de Dan Brown, dont le long métrage est tiré, n’était pas le premier à broder autour des fantasmes suscités par la physique des particules. En 2008, un procès fut intenté devant la Cour d’Honolulu à l’encontre du collisionneur suspecté de pouvoir créer un trou noir. En 2014, le célèbre Stephen Hawking a déclaré que le champ de Higgs pouvait potentiellement devenir «métastable» et engloutir la terre et l’univers entier. «Mais cela n’a rien à faire avec le LHC ou le CERN. Le boson de Higgs est aussi créé dans le nature, par exemple lors des collisions des rayons cosmiques avec l’atmosphère où autant de bosons de Higgs sont créés par seconde qu’avec le LHC à pleine puissance», estime Hans Peter Beck.

Des moments stressants

Autant de craintes balayées à plusieurs reprises par de nombreuses conclusions scientifiques, ce qui n’empêchera sans doute pas d’autres de voir le jour. On ne travaille pas impunément sur les origines de l’univers. En attendant, la principale préoccupation de Jorg Wenninger demeure plus pragmatique. Pour ce scientifique responsable des opérations du LHC, il s’agit avant tout d’éviter toute panne ou arrêt. «Le moment le plus critique est l’introduction du faisceau dans les 27 kilomètres d’aimants, car c’est la phase qui nécessite le plus d’actions manuelles et d’observation humaine.» Son équipe comprend un quart des 80 personnes travaillant au Centre de contrôle du CERN situé côté français à Prévessins, se relayant 24 heures sur 24.

Pour le scientifique Jorg Wenninger, le grand défi consiste à éviter une panne ou un arrêt du LHC.

«Il faut une vingtaine de minutes pour accélérer les faisceaux dans le LHC. Nous cherchons en permanence à améliorer le processus, à développer de nouveaux programmes informatiques d'automatisation, puis à les optimiser. Après chaque remplissage du LHC, nous accélérons suffisamment de faisceaux pour produire des collisions pendant une vingtaine d’heures, et là c’est largement automatisé, même si toujours sous surveillance constante. Si on se rate et le faisceau est perdu, c’est au moins deux à trois heures de perdues, parfois même plus.» Autre moment stressant: le redémarrage après un long arrêt ou après la semaine de maintenance tous les deux mois environ. «Après des arrêts prolongés, si par exemple le moindre objet est resté par accident dans la chambre à vide, il faut tout arrêter et intervenir. Ce qui peut prendre des jours, voire des semaines. Jusqu’à présent un tel problème n’est jamais arrivé.»

Texte © Migros Magazine – Pierre Léderrey

Auteur: Pierre Léderrey

Photographe: François Schaer