PAR DANIEL SARAGA

     Cent mètres sous terre, dans la campagne franco-genevoise, la plus grosse expérience de physique de tous les temps est sur le point de démarrer au Cern. Des détecteurs pesant des milliers de tonnes vont suivre à la trace un demi-milliard de collisions par seconde et distribueront des millions de gigabytes de données par an à des milliers de physiciens autour du monde.
     But: détecter enfin le fameux boson de Higgs, cette particule imaginée il y a plus de quarante ans, mais encore jamais observée. Et aussi découvrir de nouvelles particules, qui pourraient bien apporter des réponses à deux questions primordiales.
     Comment la matière l'a-t-elle emporté sur l'antimatière lors des tout premiers instants de notre Univers? Et de quoi la «matière sombre» -- qui constitue 85% de toute la matière du cosmos -- est-elle composée?
     Bienvenue dans le monde du Large Hadron Collider (LHC), le nouvel accélérateur de particules du Cern, le scalpel le plus efficace du monde, qui fracasse et déchiquette des protons accélérés à près d'un milliard de km/h pour en découvrir les parties les plus intimes.

Plus vite, plus froid
     Les protons circuleront à une vitesse phénoménale: 99,9999991% de la vitesse de la lumière, ce qui équivaut à faire sept fois le tour de la Terre en une seconde. L'énergie des chocs frontaux entre les protons permet la «chimie des particules», une succession de désintégrations et créations qui transforment ces grains de matière. C'est d'ailleurs ici que l'équation la plus célèbre de la physique entre en scène: E=mc².
     Elle révèle qu'une certaine quantité d'énergie est capable de créer, ex nihilo, une particule d'une certaine masse. Au LHC, cette énergie proviendra des collisions de protons. Pour les guider, les ingénieurs ont installé plus de 1700 électroaimants supraconducteurs le long de 23 des 27 km que fait l'anneau du LHC.
     Ces aimants, qui produiront des champs magnétiques d'une intensité atteignant 8 Teslas, devront être refroidis à -271°C pour devenir supraconducteurs, ce qui nécessite une réserve de 700.000 litres d'hélium liquide. Une fois refroidis, les aimants consommeront peu d'énergie, car l'électricité y circulera presque sans aucune résistance.
     L'analyse d'une collision de particules ressemble à un rapport balistique dans lequel l'expert détermine de quel endroit est parti un coup de feu en analysant l'impact de la balle. Les physiciens reconstituent les trajectoires des particules à partir des traces qu'elles laissent dans les détecteurs, construits autour du faisceau comme des couches d'oignon.
     Au centre du principal détecteur, Atlas, se trouve une caméra digitale géante ultrarapide composée de millions de pixels en silicium qui émettent une impulsion électrique lorsqu'ils sont traversés par une particule chargée. A partir de ces signaux, on peut reconstruire la trajectoire de la particule
     Elle traverse ensuite un deuxième détecteur composé de centaines de milliers de tubes renfermant du xénon, un gaz noble similaire au néon contenu dans les tubes fluorescents.
     Le gaz est ionisé lors du passage d'une particule, c'est-à-dire qu'il perd des électrons qui sont collectés par un fil métallique situé au milieu de chaque tube -- ce qui est d'ailleurs le principe de fonctionnement des compteurs Geiger servant à mesurer des taux de radioactivité.
     Ensuite, un calorimètre arrête la plupart des particules tout en mesurant leur énergie, grâce à une succession de sandwiches plomb/plastique.
     Les muons (des sortes d'électrons bien plus lourds) continuent leur chemin à travers le dernier détecteur, situé à une dizaine de mètres du faisceau, et finissent leurs jours sous terre. Quant aux neutrinos, impossible de les arrêter. Ils poursuivront leur voyage dans le cosmos à la vitesse de la lumière. Une avalanche de données
     Les chiffres du LHC et d'Atlas donnent le vertige. 2.800 paquets plus minces qu'un cheveu contenant chacun 100 milliards de protons doivent se croiser 40 millions de fois par seconde.
     A chaque croisement, une vingtaine de collisions ont lieu et créent une mul­titude de particules à la vie éphémère qui sont suivies par la centaine de millions de pixels d'Atlas. La quantité d'information brute produite est phénoménale: 70.000 GB chaque seconde, une pile de CD haute de 150 mètres.
     Impossible à enregistrer. Des systèmes électroniques, les «triggers», effectuent un premier triage pour ne retenir que les collisions prometteuses. Pour être le plus rapide possible, ils ne tiennent compte que d'une partie des pixels. Cela suffit pour indiquer la présence d'une particule intéressante, comme par exemple un muon s'échappant de la collision avec un grand angle. Ils n'ont que 25 milliardièmes de seconde pour effectuer leur travail.
     Un second triage est exécuté par quelque 2.000 ordinateurs situés à côté d'Atlas. Ils reconstruisent déjà partiellement les trajectoires de particules pour en sélectionner les plus intéressantes et ne transmettent au centre informatique du Cern qu'une centaine de collisions par seconde, soit 300 MB/s.
     Les données sont ensuite archivées sur des milliers de bandes magnétiques et distribuées à des centaines de centres de calcul dispersés autour du globe, qui reconstruiront les trajectoires précises des particules pour calculer leur masse et découvrir leur identité.
     La quantité de données à analyser est gigantesque: une dizaine de millions de GB par an. Pour partager les ressources informatiques nécessaires aux calculs des physiciens, le Cern a mis au point une nouvelle technologie de calcul partagé, le GRID. C'est l'héritier du World Wide Web, qui lui aussi avait été développé au Cern dans le but de faciliter l'échange de données. En tout, quelque 1.900 scientifiques participent à l'expérience Atlas.

Retour aux origines
     Pour comprendre ce que cherche le Cern, le plus simple est de commencer par le commencement, avec la genèse de notre Univers.
     Au début fut le big bang. Tout l'Univers, concentré en un seul point infiniment petit, se mit à grandir et à se refroidir, libérant les particules de matière et les forces fondamentales. Les premiers atomes apparurent, et la lumière fut. Ils s'accumulèrent dans les étoiles, qui créèrent tous les atomes connus, explosèrent et enfantèrent les planètes.
     Cette cosmogonie moderne, nous la devons aux efforts conjugués de la cosmologie (qui indique que tout a commencé il y a 13,7 milliards d'année avec le big bang), de l'astrophysique (qui explique comment la fusion nucléaire au cœur des étoiles a pu générer tous les atomes) et de la physique des particules (qui a découvert les douze particules de matière et les forces qui les relient). Le but du LHC est de comprendre précisément ce qui s'est passé au tout début de notre Univers, lorsque la dernière séparation des forces a eu lieu.

Matière à discussion
     «Les théoriciens blaguent entre eux pour savoir ce qui serait le pire: ne pas détecter le boson de Higgs, ou l'observer avec exactement les propriétés attendues», écrit dans le journal Nature le physicien John Ellis, qui travaille au Cern.
     «Le premier cas serait en fait très intéressant pour un chercheur, mais beaucoup plus délicat à expliquer aux politiciens qui ont financé le LHC...»
     Dans le second, les prédictions théoriques auront été confirmées, les Prix Nobel couleront à flots, mais certains problèmes ne seront pas résolus. «Les théoriciens ne comprennent pas bien ce qui permet à la masse du Higgs d'être si faible, c'est-à-dire d'être insensible à la physique des très hautes énergies, explique Géraldine Servant. A priori, cette masse devrait correspondre à l'énergie des tout premiers instants de l'Univers, lorsque toutes les forces étaient encore unifiées -- une énergie un million de milliards de fois plus grande que celle du LHC. Comment comprendre que sa masse soit si faible et que le Higgs puisse être observé au Cern?»
     Pour être levée, cette contradiction requiert des développements mathématiques qui vont au-delà du modèle standard.
     Bref, le Higgs ne suffit pas. Depuis une cinquantaine d'années, les théoriciens et les expérimentateurs avancent main dans la main, prédisant l'existence de nouvelles particules et les découvrant à l'aide d'accélérateurs de plus en plus puissants.
     Le modèle standard est le fruit de cette collaboration. Mais au-delà de ses succès, ce modèle souffre d'un certain nombre de problèmes, comme par exemple l'absence de particule pouvant expliquer la «matière sombre» ou encore la différence entre matière et antimatière. Le modèle standard n'explique également pas quel est le mécanisme res­ponsable de la masse du Higgs, et ne dit pas s'il est une particule élémentaire ou au contraire un objet composite.
     Les théoriciens ont ainsi développé depuis quelques dizaines d'années de nouveaux modèles qui apportent des réponses à ces questions, comme par exemple la «supersymétrie», le «technicolor», ou encore les théories à dimensions supplémentaires.
     «Chaque théorie prédit l'existence de nouvelles particules, précise Géraldine Servant. Si le LHC les découvre, nous aurons des indices solides pour déterminer quelle théorie est valide.»
     Ce que les physiciens veulent donc, c'est de la «nouvelle physique» qui les emmènera au-delà du modèle standard. Dans le cas où le Higgs est détecté, ces théories subiront aussi l'épreuve de la vérité, car elles ont également prédit sa masse.

Une armée de chercheurs
     Mais revenons sous terre, car c'est là que se feront -- ou ne se feront pas -- ces découvertes. Le concurrent direct d'Atlas s'appelle CMS et se trouve de l'autre côté du LHC. Avec ses 21 mètres de long et 16 de haut, le Compact Muon Solenoid est certes plus petit, mais encore plus lourd: 12.500 tonnes.
     Cet instrument, qui contient plus de métal que la tour Eiffel, est également un détecteur «généraliste» ayant le même objectif qu'Atlas: détecter le Higgs et des nouvelles particules.
     Il suit une stratégie différente: avec ses trois détecteurs dédiés aux muons, il se focalise sur leur trajectoire, dans l'espoir que ces particules semblables aux électrons (mais 200 fois plus lourdes) apparaissent dans des processus démontrant la création d'un Higgs. Avec son armée de 2.000 chercheurs, CMS est un sérieux rival pour Atlas.
     Le troisième détecteur s'appelle LHCb, pour «LHC beauty». Il s'attaquera à la différence entre matière et antimatière en étudiant les désintégrations de particules contenant les quarks «beauty».
     Le quatrième détecteur, Alice, ne fonctionnera environ qu'un mois par an, lorsque le LHC sera vidé de ses protons et accélérera à leur place des atomes de plomb ionisé.
     Ces particules bien plus lourdes permettront d'atteindre des températures de mille milliards de degrés et de créer un plasma de quarks et de gluons, un état qui était celui de notre Univers pendant le premier millionième de seconde. Deux autres expériences plus modestes, Totem et LHCf, mesureront la taille du proton et étudieront des rayons cosmiques produits grâce au LHC.
     Le programme du LHC est extrêmement ambitieux. La grande majorité des physiciens sont convaincus qu'il apportera de nombreuses découvertes justifiant l'investissement consenti.
     Dans ce cas, l'aventure du Cern aura une fois de plus démontré l'extraordinaire pouvoir de l'homme à faire reculer les limites de la connaissance et sa capacité à s'organiser pour mener à bien des projets d'une complexité inouïe.
     Dans le cas contraire, on peut craindre qu'une vague de frilosité ne se répande parmi les politiciens lorsqu'ils devront remettre la main à la poche. L'avenir, caché au milieu des milliards de gigabytes de données que le LHC produira, nous le dira.