J’ai récemment eu l’occasion de visiter le CERN, grand laboratoire européen à cheval sur la frontière franco-suisse (Canton de Genève et département de l’Ain). Ceci a été pour moi l’occasion d’apprendre tout un tas de choses et de m’intéresser à un aspect de la physique dont j’avais vaguement compris la profondeur. Néanmoins pour beaucoup le CERN reste un organisme bien mystérieux et ce malgré la médiatisation importante dont bénéficie le CERN. Ce n’est pas étonnant que les travaux du CERN soient opaques, c’est un domaine de recherche très particulier, technique et lointain : la physique des particules.

La quantité d’information à propos du CERN étant importante, j’ai décidé de créer deux articles. Dans ce premier article je parlerai du CERN, son histoire, ses principales activités et caractéristiques. Dans un second temps je parlerais plus en détail de la physique des particules, de comment les observer et les manipuler.

 

Le CERN – Histoire

 

Le Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire a vu le jour en 1952 suite à une proposition du physicien De Broglie faite en décembre 49 qui s’est progressivement concrétisée sous l’impulsion de l’UNESCO. La volonté de relancer la recherche en Europe au lendemain de la seconde guerre mondiale a été un des premiers arguments en faveur de la création d’un organisme européen. Qui plus est le domaine des particules était prometteur et de nombreux scientifiques souhaitaient travailler sur ce sujet. Mais cette création ne s’est pas faite sans certaines difficultés, certains scientifiques ne croyant d’ailleurs pas à l’initiative.

Un autre problème était d’ordre politique :  pour les différents gouvernements européens le terme nucléaire sous-entendait bombe et ils s’inquiétaient de la réaction des USA. Mais les travaux du CERN n’ayant rien à voir avec cela le projet pu se développer au fil de conférences et ce sont 11 pays qui finalement fondèrent le CERN. Ce dernier n’était qu’un organisme temporaire qui fut dissous en 1954 au profit de l’Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire, mais l’acronyme CERN est depuis resté en usage.

 

Rapidement de nombreux physiciens théoriciens travaillèrent au CERN pour développer le premier accélérateur de particules, le Synchrocyclotron, appareil modeste donnant lieu aux premières expériences en 1958. Aux côtés des théoriciens, de nombreux physiciens travaillent à développer des nouvelles techniques de contrôle et de mesure. En 1959 fut mis en service le synchrotron à protons (PS) qui était alors l’accélérateur le plus puissant. Déjà des premières découvertes importantes sont faites et au milieu des années 60 les modèles théoriques sont vérifiés avec une grande précision (0,0007 %). A noter que tous les accélérateurs du CERN sont de type synchrotron, c’est à dire qu’ils accélèrent des particules par le jeu de force électromagnétiques, ainsi les deux mots peuvent être utilisés indifféremment.

 

 

Exemple d’un petit synchrotron, LEIR (Low Energy Ion Ring – Anneau d’ions basse énergie). L’accélérateur est en forme de carré avec les coins arrondis. Dans les virages se trouvent les aimants déviant la course des ions (boites oranges). On peut constater le nombre important d’équipements présents tout au long de l’accélérateur. Pour manipuler les particules on ne peut utiliser que des aimants, il faut donc que les particules soient chargées électriquement (les protons et les ions le sont). L’aimant va appliquer un champ et la particule va subir une force électromagnétique et se déplacer.

 

Ensuite sont mis en place au fil des années d’autres accélérateurs toujours plus puissants afin de repousser les limites et de tester les théories. Le synchrotron à protons (628 m de circonférence), toujours en service aujourd’hui, est complété par un super synchrotron à protons (SPS – 7 km) lui-même complété en 1988 par le collisionneur d’électrons-positons (LEP – 27 km). En 2007 le remplacement du LEP par le collisionneur de hadrons (LHC) était effectué, ce projet ayant été lancé en 1984 alors même que le LEP n’était pas achevé.

 

L’intérêt de construire des accélérateurs toujours plus gros est de pouvoir donner aux particules plus d’énergie. L’énergie des particules accélérées est un facteur important car lorsqu’on entraine une collision entre deux d’entre-elles, le résultat dépend de cette énergie. Pour illustrer ceci prenons le cas de deux protons se rencontrant en face à face.

A faible énergie deux protons vont juste se repousser à la manière de deux boules de pétanque qui se rencontreraient à des vitesses habituelles. Au départ on a deux protons lancés dans une direction, après la collision on a deux protons partis dans d’autres directions. En revanche à plus haute énergie les protons vont se désintégrer en différentes choses : on imagine facilement que deux boules de pétanque se percutant à la vitesse du son entrainerait leur anéantissement et la présence de débris tout autour, ce qui permettrait alors d’analyser leur constitution. C’est en quelques sorte dans cet état d’esprit là que l’on produit des collisions entre particules.

 

Pour découvrir le boson de Higgs par exemple, il fallait atteindre l’énergie théorique à laquelle il était censé apparaître. Si le LHC n’avait pu l’observer les scientifiques auraient étés très embêtés car son existence aurait été remise en cause, mais pas forcément niée : en effet la non observation du boson de Higgs n’entraîne pas son inexistence. Il est toujours difficile de prouver que quelque chose n’existe pas. Cependant ici nous avons été chanceux puisque le boson de Higgs est apparu.

Toutefois, le but des accélérateurs n’est pas forcément de procéder à des collisions, par exemple le SPS ne fait qu’accélérer les particules qu’il reçoit avant de les dispatcher à d’autres dispositifs, dont le LHC ne représente que 0.1% de la consommation en proton.

 

Une activité très variée

 

Sur le plan de la physique

Nous avons vu que le CERN impressionnait par la taille toujours plus grande de ses accélérateurs. Les derniers travaux en date sont ceux de la galerie de l’actuel LHC : 27 km creusés à 100m de profondeur sur une période de 5 ans ; ceci représente 1,4 millions de m³ de roche extraits et 55 000 m² de bâtiments construits pour héberger les expériences. Mais le CERN ce n’est pas juste des accélérateurs réalisant des collisions. Le LHC est certes très important pour sa découverte du boson de Higgs mais ne représente qu’un dispositif parmi tant d’autres.

Des études importantes ont lieu ailleurs. Elles ont toutes pour but la compréhension des constituants fondamentaux de l’univers. On y étudie l’antimatière (Antiproton Decelerator et ELENA), les ions, les atomes lourds (ISOLDE), les rayonnements cosmiques, l’optique, l’influence de la gravitation sur les particules ou encore le plasma. Vous pouvez découvrir sur la figure ci-dessous comment sont réparties ces installations et comment elles échangent entre-elles les protons et ions accélérés.

En tout on ne compte pas moins de 25 dispositifs expérimentaux et installations au sein de l’Organisation. Le LHC ne sollicite que 7 de ces dispositifs, ce qui montre à quel point les travaux du CERN sont en réalité très variés et surtout très nombreux ! Excepté le LHC, l’installation la plus importante d’entre elles s’appelle ISOLDE : pas moins de 450 chercheurs y travaillent sur 90 expériences, ce qui représente bien plus que la plupart des laboratoires de recherche universitaires.

 

Les dispositifs expérimentaux du CERN. Les accélérateurs (hexagones gris) sont placés à côtés de leurs dispositifs associés (hexagones oranges et bleus). En fond, les hexagones gris clair indiquent vers où les accélérateurs envoient leur particules. On voit ainsi que le PSB envoie ses particules au PS qui les envoie soit au LHC via le SPS, soit au AD. – Cliquez pour agrandir

 

Et de l’innovation technologique au sens large

Le développement au fil des années des activités du CERN a été l’occasion de stimuler l’innovation sur de très nombreux plans. Ainsi de nombreux scientifiques du CERN on travaillé sur des problématiques qui n’étaient pas directement liées à leurs travaux. Par exemple la nécessité de s’adapter à la demande énergétique toujours plus forte a demandé la mise au point d’un système énergétique performant. En effet la consommation électrique du CERN est juste énorme, sur le site internet du CERN on trouve les informations suivantes  :

Sur une année, le Laboratoire consomme 1,3 térawatt heures d’électricité. C’est l’énergie qu’il faut pour alimenter 300 000 foyers au Royaume-Uni pendant un an. Mais les besoins en énergie varient au fil des mois, selon les saisons et les exigences des expériences.

Au plus fort de sa consommation, généralement entre mai et mi-décembre, le CERN utilise environ 200 mégawatts d’électricité, ce qui représente environ un tiers de l’énergie nécessaire pour alimenter la ville de Genève, située tout près du Laboratoire, en Suisse.

 

En parallèle il a aussi fallu s’équiper d’installations capables de traiter la quantité d’informations toujours plus grande produite par les expériences. Ainsi la création du web a été motivée par le besoin de communiquer efficacement entre chercheurs. Le CERN est aujourd’hui équipé d’unités de stockage massives : En 2016 30 Po de données ont été stockées ( ce qui représente 30 000 To). Cependant ce qui est stocké ne représente qu’une infime partie de l’énorme quantité d’information qui est traitée quotidiennement. Des supercalculateurs procèdent en permanence à une grande quantité d’opérations sur les données.

Par exemple concernant le LHC, sur les 600 000 collisions se produisant par seconde, le supercalculateur du CERN n’en garde que 0.1%, ce qui en fait tout de même 600 par seconde. L’algorithme automatique est ensuite complété par les analyses des scientifiques qui ne gardent que quelques résultats parmi les millions. Toutes ces analyses sont menées par des supercalculateurs reliées à travers le monde, ces derniers sont indispensables. Le CERN a du développer lui-même les technologies dont il avait besoin tellement ses exigences étaient élevées. Aujourd’hui heureusement d’autres sociétés comme Google font de la recherche dans ce domaine ce qui aide beaucoup le CERN.

En plus de tout cela le CERN aura permis de produire de nombreux résultats dans les domaines de la géologie, en hydrologie et en biologie. En effet la grande galerie de 27km a été l’occasion d’améliorer les connaissances dans ces domaines. Concernant la biologie on note par exemple la découverte d’une dent de souris vieille de 25 millions d’années.

 

Ainsi le CERN est un laboratoire unique travaillant sur de nombreux domaines dont la plupart sont assez peu médiatisés et effacés par l’expérience clé menée au LHC. De nombreuses choses restent à dire mais j’ai désormais envie de parler de physique. Dans un prochain article je détaillerai plus en avant ce que sont les particules, comment on peut les détecter, les manipuler et les faire parler.

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