Des machines géantes pour de minuscules particules

IMAGINEZ que vous passiez la frontière franco-suisse des milliers de fois en l’espace de quelques secondes! C’est impossible, direz-​vous. C’est pourtant ce que font des milliards de nouveaux “frontaliers”. Il s’agit de minuscules particules qui circulent à vive allure à l’intérieur d’un anneau métallique géant enterré dans le sol d’un laboratoire européen situé non loin de l’aéroport international de Genève. C’est là que, grâce à d’énormes machines appelées accélérateurs de particules, des physiciens progressent dans un domaine qui intrigue l’homme depuis longtemps: la recherche des secrets de la matière et des lois qui gouvernent l’univers.

Voir l’infiniment petit

Depuis des millénaires, l’homme rêve de découvrir les plus petits éléments qui composent la matière. Au début du XX^e siècle, on a constaté que ce qu’on appelait atome, qu’on pensait être la plus petite particule de matière indivisible, était en fait constitué d’un noyau autour duquel gravitaient des électrons. Par la suite on s’est aperçu que le noyau était lui-​même composé de particules plus petites. Aujourd’hui, donc, une théorie est avancée selon laquelle toute matière dans l’univers ne serait composée que de trois éléments de base: des électrons et deux types de minuscules particules auxquelles on a donné le nom de quarks, le tout évoluant dans le vide.

Tout comme un archéologue qui étudierait un mur ancien s’intéresserait non seulement aux briques, mais également au ciment qui lie les briques entre elles, les physiciens modernes cherchent à connaître les forces qui s’exercent entre les particules. Pour ces savants, la liaison entre deux particules est assurée par l’échange d’une troisième, un peu comme un ballon échangé entre deux joueurs établit le contact entre eux. Chaque jeu, football, rugby, hand-ball, etc., a son propre ballon; pareillement chaque force a sa particule (ou son jeu de particules) de transfert caractéristique. L’étude de ces deux catégories de particules (briques et ciment, joueurs et ballons) nécessite l’utilisation d’accélérateurs.

Sans ces accélérateurs, le physicien moderne serait aussi démuni que le botaniste sans sa loupe ou l’astronome sans son télescope. Plusieurs accélérateurs de particules sont regroupés sur le site de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (le nouveau nom du CERN), qui s’étend de part et d’autre de la frontière franco-suisse. Maintenant, pour mieux comprendre ce qui se passe à l’intérieur de telles machines, imaginons que nous sommes un million de milliards de fois plus petits et suivons un guide pour le moins inhabituel.

Voyage au cœur d’un accélérateur

Bonjour! Je suis l’un des milliards de protons qui vont vous accompagner pendant votre voyage dans le SPS, le super synchrotron à protons (le plus grand accélérateur du CERN à ce jour). Accrochez-​vous, car nous allons parcourir ensemble plus d’un million de kilomètres en moins de cinq secondes.

Lorsque nous arrivons dans le SPS, nous venons d’autres accélérateurs plus petits qui nous ont déjà communiqué une vitesse supérieure à 99 pour cent de la vitesse de la lumière dans le vide (300 000 km/s), vitesse que nous ne pouvons dépasser. Le SPS ne va guère augmenter notre vitesse que de 0,4 pour cent. En revanche, notre masse augmente considérablement puisque nous passons de 10 GeVa à l’entrée à 400 GeV à la sortie, et c’est le but recherché par les physiciens. Ainsi donc, le SPS n’est pas un accélérateur au sens propre du terme, mais plutôt une sorte de fronde que l’on ferait tournoyer à vitesse constante et dont les pierres s’alourdiraient avec le mouvement.

Nous venons d’entrer dans la chambre annulaire du SPS, d’une circonférence de sept kilomètres environ. Ce tube est installé dans un tunnel de plusieurs mètres de large où les techniciens peuvent même circuler à bicyclette, lorsque l’accélérateur n’est pas en marche.

Dès notre entrée, nous sommes pris en charge par 744 puissants électro-aimants qui vont nous donner une trajectoire presque circulaire. Sans eux, la force centrifuge nous projetterait contre les épaisses parois chargées d’absorber les dangereuses radiations que nous émettons. Comme nous avons également tendance à ne pas rester groupés, un autre système de 216 aimants assure notre focalisation et nous maintient en un pinceau aussi fin et aussi concentré que possible. Ces aimants sont comparables aux systèmes optiques que l’on trouve au sommet des phares et qui concentrent la lumière en un long et mince faisceau.

Afin que notre voyage se déroule sans encombre, on a éliminé la plupart des particules que nous aurions pu rencontrer en chemin, en créant dans la chambre annulaire un vide très poussé. À chaque demi-tour, nous allons maintenant recevoir un supplément d’énergie. L’accélération nous est communiquée par deux cavités haute fréquence de 20 mètres de long situées dans les tronçons en ligne droite de l’anneau. L’onde électromagnétique générée dans ces cavités nous communique une partie de son énergie, un peu comme une vague pousse le surfeur et lui donne de la vitesse.

Par paquets de 10 000 milliards, nous allons maintenant quitter l’accélérateur. L’opération va durer à peine plus d’une demi-seconde. Déviés de notre trajectoire, nous irons percuter une cible qui pourra être une fine plaque de métal, un gaz ou un liquide, selon le type d’expérience. Lors du choc entre les protons et les particules de la cible, une partie de l’énergie libérée va se transformer, généralement pour un court instant, en matière. C’est exactement le contraire de ce qui se produit dans un réacteur nucléaire, où la matière est transformée en énergie. De puissants ordinateurs reliés à de complexes détecteurs vont ensuite analyser les particules produites lors du choc.

Il est temps pour moi de vous dire au revoir. Mais si vous avez quelques instants, vous allez pouvoir assister à une expérience encore plus intéressante.

Les anneaux de collision

Les protons qui viennent de nous quitter sont allés percuter une cible et une grande partie de leur énergie a été perdue à faire “reculer” les protons de cette cible. Ainsi, pour un faisceau de 400 GeV, seule une énergie de 28 GeV reste disponible pour faire apparaître de nouvelles particules.

Afin d’obtenir une énergie utile plus importante, les physiciens ont eu l’idée des faisceaux contraires. À la rencontre d’un faisceau de protons on envoie dans le SPS un faisceau d’antiprotons (des particules de même masse que les protons, mais de charge électrique opposée) qui tournent dans le même anneau, en sens contraire. Lors d’un choc entre un proton et un antiproton, chacun de 270 GeV, on dispose alors pratiquement d’une énergie de 540 GeV, ce qui permet d’obtenir des particules beaucoup plus lourdes.

Une fois résolus certains problèmes liés à la fabrication, au stockage et à l’accélération des antiprotons, les physiciens du CERN ont ainsi pu, au cours de l’année 1983, mettre en évidence deux particules très instables, le boson Z et le boson W. Comme la plupart des particules générées dans ces accélérateurs, ces bosons ne vivent pas longtemps — l’infime partie d’une seconde — avant de se dissoudre en énergie ou de se transformer en d’autres particules. Cent fois plus lourd que le proton, le boson Z est la plus grosse particule découverte à ce jour.

Des machines de plus en plus grosses

Dans le monde entier, on poursuit la chasse aux nouvelles particules, qui doivent être de plus en plus grosses, surtout celles qui assurent les transferts d’énergie (les ballons dont nous parlions au début de l’article). Pour cela, il faut améliorer les machines, notamment en augmentant leur puissance. Aussi, en 1983, a-​t-​on entamé au CERN la construction d’un anneau encore plus grand que le SPS. Il s’agit du LEP [Large Electron-Positron (Collider), ce qui signifie: Grand Collisionneur à Électrons et Positons], anneau de collision de 27 kilomètres de circonférence. Cette machine est prévue au départ pour accélérer des électrons et des positons (particules identiques aux électrons, mais de charge opposée). Les boulets de ce canon à particules étant beaucoup plus petits, les physiciens devraient disposer ainsi d’un nouvel outil de travail, en fait d’un “bistouri” beaucoup plus fin pour disséquer la matière.

‘À quoi servent de telles machines?’ direz-​vous. Dans ce domaine, il est vrai, à part quelques petits accélérateurs utilisés dans les hôpitaux pour produire des particules susceptibles de détruire des cellules cancéreuses ou de servir de traceurs radioactifs, les applications pratiques sont très limitées. Cependant, la réponse actuelle à la question “Qu’est-​ce que la matière?” est loin de satisfaire les physiciens. Voilà pourquoi ils poursuivent leurs travaux dans le monde infiniment petit des particules en utilisant, paradoxalement, des accélérateurs de plus en plus gigantesques.

[Note]

[Encadré, page 25]

Que sont-​ils?

Électron: Particule animée d’une charge électrique égale, en valeur absolue, à celle du proton, mais négative; et de masse à peu près 2 000 fois inférieure à celle du proton. Les électrons gravitent autour du noyau de l’atome, lequel contient le même nombre d’électrons que de protons.

Proton: Particule animée d’une charge électrique égale, en valeur absolue, à celle de l’électron, mais positive. C’est un élément constituant du noyau de tout atome. Par exemple, le noyau d’hydrogène possède un proton.

Neutron: Particule qui n’est pas chargée électriquement et dont la masse est sensiblement égale à celle du proton. C’est l’autre élément constituant du noyau de tous les atomes, excepté l’atome d’hydrogène.

Quark: On pense que cette particule est le composant de base des protons et des neutrons. Le quark ne se rencontre pas à l’état isolé, mais est toujours associé à d’autres quarks. Chaque quark dispose d’une charge électrique correspondant soit au tiers, soit aux deux tiers de la charge électrique de l’électron.

Boson: Particule grâce à laquelle se font les transferts d’énergie d’une particule subatomique à une autre. Un boson qui quitte une particule est absorbé par une autre.

L’énergie se transforme en matière

La vitesse communique de l’énergie: Une balle de tennis tombera sur votre pied sans vous faire de mal. Mais si elle arrive vite et vous frappe le nez, elle peut vous blesser sérieusement. Pourquoi cela? Parce que la vitesse a communiqué de l’énergie à la balle, et que cette énergie a été libérée au moment du choc. C’est en cela que réside le rôle principal de l’accélérateur: communiquer une énergie considérable à des particules en les accélérant à de très grandes vitesses.

L’énergie concentrée se change en matière: La transformation de l’énergie en matière n’est pas une question de quantité mais de concentration. Si vous avez un nombre suffisant de particules animées d’une grande vitesse, donc ayant une haute teneur en énergie, concentrées en un petit volume, elles peuvent produire de nouvelles particules (ou matière) par collision avec un objet quelconque ou entre elles.

De la matière, oui, mais en quantités infinitésimales: Les accélérateurs, si gourmands en énergie, ne produisent pourtant que peu de matière. Selon une publication officielle du CERN, “pas plus d’un milligramme de matière n’a été produit en 25 années de fonctionnement”.

[Encadré, page 26]

Pour construire une vache

“Construire une vache n’est pas compliqué. Il suffit d’avoir une bonne quantité de particules élémentaires: des quarks ‘d’, des quarks ‘u’ et des électrons. Pour commencer, il faut fabriquer des protons (deux quarks ‘u’ et un ‘d’) et des neutrons (deux ‘d’ et un ‘u’). Ensuite, il faut constituer les atomes. Pour un ruminant, on a besoin d’atomes de carbone, d’oxygène, d’hydrogène et d’azote... Avec l’hydrogène, c’est simple: un proton et un électron qui tourne autour (...).

“Ensuite, il faut assembler les atomes en molécules. L’eau, c’est facile: deux atomes d’hydrogène et un d’oxygène. Mais pour d’autres molécules, il faut associer des centaines, voire des milliers d’atomes. Enfin, il faudra agencer des dizaines de milliards de cellules vivantes, puis les réunir judicieusement pour terminer le bovin.

“La recette est fournie par le Cern. Elle est parfaitement exacte si l’on y ajoute l’échelle du temps et le mystérieux plan qui a abouti à l’agencement de ce que nous appelons une vache.” — L’Express, hebdomadaire français.

Mais qui peut bien avoir conçu un tel “mystérieux plan”, sinon un Être suprêmement intelligent, Celui que la Bible identifie au Créateur, Jéhovah Dieu? — Psaume 104:24.

[Illustrations/Schéma, page 24]

(Voir la publication)

LEP

SPS

site Prévessin

site Meyrin

FRANCE

SUISSE

[Crédit photographique]

CERN photos, Genève.