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Des chercheurs du CERN activent le Grand collisionneur de hadrons dans leur quête de matière noire

Il y a dix ans, une équipe exploitant le plus grand collisionneur de particules au monde est entrée dans l’histoire en découvrant la particule du boson de Higgs, une clé de découverte pour comprendre la création de l’univers, ce qui lui a valu le surnom de «particule de Dieu».

Après une pause de plus de trois ans pour les mises à niveau, l’accélérateur, géré par l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, ou CERN, collecte à nouveau des données. Cette fois, il s’agit de prouver l’existence d’une autre substance mystérieuse : la matière noire.

Bien que les scientifiques croient en grande partie que la matière noire est réelle, aucun n’a été capable de la voir ou de la créer. La collecte de données et les mises à niveau de puissance apportées au brise-particules, appelé Large Hadron Collider, pourraient fournir aux chercheurs l’une de leurs meilleures chances de visualiser et de comprendre la substance.

“Si nous pouvons comprendre les propriétés de la matière noire, nous apprenons de quoi est faite notre galaxie”, a déclaré Joshua Ruderman, professeur agrégé de physique à l’Université de New York. “Ce serait transformateur.”

La recherche des scientifiques sur le boson de Higgs donne une nouvelle particule subatomique

La matière noire fascine les physiciens depuis des décennies. On pense généralement qu’il constitue une partie importante de l’univers, et en apprendre davantage à son sujet pourrait fournir des indices sur la façon dont l’univers a vu le jour.

Toutes les étoiles, planètes et galaxies de l’univers ne représentent que 5 % de la matière de l’univers, selon les scientifiques du CERN. On pense qu’environ 27% de l’univers est composé de matière noire, qui n’absorbe, ne réfléchit ni n’émet de lumière, ce qui la rend extrêmement difficile à détecter. Les chercheurs disent qu’il existe parce qu’ils ont vu son attraction gravitationnelle sur les objets – et ont été témoins de la façon dont il aide à plier la lumière.

Les chercheurs espèrent que le Large Hadron Collider pourra les aider. Le collisionneur a été construit au cours d’une décennie par l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire pour aider à répondre aux questions en suspens de la physique des particules. La machine est située à environ 100 mètres sous terre dans un tunnel près de la frontière franco-suisse et de la ville de Genève. Sa circonférence s’étend sur près de 17 milles.

À l’intérieur du collisionneur, des aimants supraconducteurs sont refroidis à environ -456 degrés Fahrenheit – plus froids que l’espace – tandis que deux faisceaux de particules se déplaçant à une vitesse proche de la lumière sont amenés à entrer en collision. À l’aide de capteurs et de moniteurs avancés, les scientifiques analysent les substances créées par ces collisions, qui reproduisent des conditions similaires au Big Bang. Cela leur permet de se renseigner sur les premiers instants de l’univers.

La machine a commencé à fonctionner en septembre 2008 mais s’est arrêtée plusieurs fois pour des améliorations. Au cours des trois dernières années, les ingénieurs ont amélioré le collisionneur afin qu’il puisse détecter plus de données et fonctionner à des vitesses plus élevées. Désormais, l’accélérateur peut fonctionner à son niveau d’énergie le plus élevé jamais atteint, 13,6 billions d’électron-volts, permettant aux scientifiques de mener des expériences plus vastes et plus complexes qui pourraient donner de nouvelles informations sur la physique des particules.

« Il s’agit d’une augmentation significative », a déclaré Mike Lamont, directeur des accélérateurs et de la technologie au CERN. “Ouvrir la voie à de nouvelles découvertes.”

Le boson de Higgs et ce que cela signifie pour la technologie

Au début de l’univers, les particules n’avaient pas de masse, de sorte que les scientifiques se sont longtemps demandé comment les étoiles, les planètes et la vie supplémentaire ont été créées. En 1964, les physiciens François Englert et Peter Higgs et d’autres ont théorisé qu’un champ de force donnait une masse aux particules lorsqu’elles se connectaient, mais ils ne pouvaient pas documenter l’existence de l’entité.

La découverte de la particule boson de Higgs, une partie du champ de force hypothétique, a valu à Englert et Higgs un prix Nobel de physique.

La particule a fasciné les scientifiques et le grand public. Le CERN et le collisionneur figurent en bonne place dans le livre de Dan Brown et dans le film adapté “Angels & Demons”.

Mais maintenant, les chercheurs veulent répondre à des questions plus délicates, en particulier celles qui entourent la matière noire.

Au cours de l’expérience de quatre ans du Large Hadron Collider, les scientifiques espèrent trouver des preuves de la présence de matière noire. En allumant la machine, les protons tourneront presque à la vitesse de la lumière. L’espoir, selon les chercheurs, est que lorsqu’ils entrent en collision, cela crée de nouvelles particules ressemblant aux propriétés de la matière noire.

Ils espèrent également en savoir plus sur le comportement de la particule de boson de Higgs. Mardi, peu de temps après que le collisionneur ait commencé à collecter des données, des scientifiques du CERN ont annoncé qu’ils avaient trouvé trois nouvelles particules “exotiques” qui pourraient fournir des indices sur la façon dont les particules subatomiques se lient.

« Les collisionneurs à haute énergie restent le microscope le plus puissant à notre disposition pour explorer la nature aux plus petites échelles et découvrir les lois fondamentales qui régissent l’univers », a déclaré Gian Giudice, chef du département Théorie du CERN.

Au Large Hadron Collider, un aperçu de l’avenir de la science

Ruderman, de l’Université de New York, a déclaré que la quête du CERN pour en savoir plus sur la matière noire et expliquer les origines de l’univers l’a amené à attendre avec impatience les résultats de l’expérience. La recherche l’excite beaucoup. « C’est pourquoi je me réveille le matin », dit-il.

Une fois que les données commenceront à sortir de l’expérience, Ruderman verra si elle produit de nouvelles particules. Même si c’est le cas, il sera difficile de dire immédiatement s’il s’agit de matière noire ou non.

Tout d’abord, ils devront évaluer si la particule en question émet de la lumière. Si c’est le cas, cela rend moins probable qu’il s’agisse de matière noire. Deuxièmement, la particule devrait montrer des signes d’existence depuis longtemps et ne pas se désintégrer immédiatement, car la matière noire devrait en théorie pouvoir durer des milliards d’années. Ils espèrent également que la particule se comporte de manière similaire aux théories actuelles de la matière noire.

Ruderman a déclaré que cela pourrait prendre plus de quatre ans pour faire la découverte.

Si les scientifiques du CERN ne découvrent pas de matière noire au cours des quatre prochaines années, d’autres améliorations sont en cours. Les mises à niveau prendront probablement trois ans après l’arrêt de l’exécution actuelle, laissant le quatrième cycle de collecte de données et d’expériences commencer en 2029.

Comme prévu, l’essai pourrait capturer 10 fois plus de données que les expériences précédentes, selon le site Web du CERN. Mais percer les secrets de l’univers n’est pas facile.

“C’est difficile”, a déclaré Ruderman, “et quelque chose qui pourrait prendre toute une vie d’exploration.”

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