Le CERN relance sa machine à découvrir l'infiniment petit

02 décembre 2020 à 10h22
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L'organisation européenne pour la recherche nucléaire a débuté depuis hier l'enregistrement des données issues de la collision de particules dans le LHC. Avec des énergies encore inédites et à la clé, on l'espère, de nouvelles découvertes.

Le grand collisionneur de hadrons (ou LHC) s'est remis au travail il y a quelques semaines, enseveli sous la frontière franco-suisse. Après avoir permis d'observer deux particules en 2014 et surtout la découverte de ce qui semble bien être le fameux boson de Higgs, l'outil le plus puissant au monde mis à disposition des physiciens, est de nouveau bon pour le service.

Le LHC a en effet subi une maintenance de près de deux ans, afin de permettre des collisions entre particules toujours plus énergétiques. Mais pour quoi faire ?

Élémentaire, mon cher Watson

Si les chercheurs veulent toujours plus de violence dans ces impacts, c'est pour une bonne raison : c'est seulement à ce prix que peuvent apparaître les particules qu'ils souhaitent observer.

Le LHC fait ainsi voyager, le long des 27 km de tunnels, des protons (qui font partie de la famille des hadrons), constituants de base des noyaux des atomes qui composent la matière. Ces protons circulent en sens inverse, à une vitesse extrêmement proche de celle de la lumière (299 792 455,3 au lieu de 299 792 458 mètres par seconde), ce qui leur confère une énergie proche de 7 TeV (l'électron-volt est l'unité de mesure énergétique en physique des particules, tout comme le joule l'est à l'échelle macroscopique).

En se percutant, c'est donc près de 14 TeV que libèrent ces protons, engendrant alors une multitude de particules secondaires collectées par quatre détecteurs. Parmi ces particules se trouvent des particules élémentaires, et parfois l'un des Graal de la physique, comme ce fut le cas en 2012.

Pour mettre en évidence le boson de Higgs, il a fallu déployer plus de 125 GeV. Que faire de ces 14 TeV ? Énormément de choses, car cette énergie devient masse (le fameux E=mc²), et plus on dispose d'énergie, plus on a de chance d'observer des particules massives.

Matière noire, théorie des cordes et antimatière

Parmi les découvertes attendues, plusieurs seront à même de valider le modèle standard et les observations actuelles en matière de cosmologie. La matière noire, notamment, censée composer plus d'un quart de l'énergie de l'Univers, pourrait être mise en évidence.

En admettant qu'elle soit constituée de particules massives, impossible de la détecter directement : la matière noire n'entre que très peu en interaction avec la matière, et donc les détecteurs. « Mais en faisant un bilan d'énergie, nous constaterions un manque que nous pourrions attribuer à la matière noire. » précise Yves Sirois, responsable de l'expérience CMS pour la France dans le journal du CNRS.

La théorie de la supersymétrie (que les fans d'Arcade Fire ne renieront pas), nouvelles dimensions (dans la théorie des cordes) ou encore l'équilibre matière / antimatière sont autant de domaines où ces hautes énergies pourraient permettre aux chercheurs de valider ou d'invalider leurs hypothèses.

Traitement informatique : d'autres chiffres qui donnent le tournis

Toutefois, il est de notoriété publique que sans maîtrise, la puissance n'est rien. Et l'outil incroyable (le plus puissant au monde) qu'est le LHC ne servirait à rien sans le traitement informatique nécessaire qui est réalisé au moment de la collecte de données et a posteriori.

Dans les quatre détecteurs installés dans le LHC, se produisent pas moins de 600 millions de collisions par seconde. Chacune d'entre elles génère un nombre variable mais important de particules, dont il convient d'analyser les paramètres, y compris la trajectoire. Même si un premier filtre s'effectue en amont pour éliminer les évènements les moins importants, il reste une quantité phénoménale d'informations à traiter, quelque 15 pétaoctets annuels.

Le CERN, qui administre le LHC, n'a pas les moyens d'analyser toutes ces données elles-mêmes. C'est pourquoi, depuis 2002, l'organisation s'appuie sur un système de calcul distribué. Une grille qui vise à utiliser la puissance de centres du monde entier, et qui sollicite plus de 8 000 chercheurs, d'après le CERN.

Lors d'importantes distributions, ce sont parfois 10 Go de données qui sont répartis chaque seconde, et plus d'un million de calculs qui s'effectuent par jour. Cette force de frappe sera-t-elle suffisante pour percer les secrets de l'Univers ? La réponse dans les années à venir, puisque cette nouvelle campagne d'expériences doit durer trois ans.
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