Comprendre la formation du monde : apologie de la recherche fondamentale au CERN

Tout est matière ! Des plantes aux animaux en passant par l’homme et son habitat, tout dans ce monde est constitué d’atomes – c’est à dire de cellules composées d’un noyau (fait de neutrons et de protons) autour duquel gravitent des électrons. C’est la communication de ces électrons et du noyau, via un échange permanent de photons – l’interaction électromagnétique – qui constitue la matière : fer, cuivre, hydrogène etc. En tout c’est une centaine d’éléments qui ont été répertoriés.

Créé en 1954 dans un contexte post guerre mondiale et en pleine guerre froide, le CERN – l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire- est l’un des plus grands et des plus prestigieux laboratoires scientifiques du monde. Il a été l’une des premières organisations à l’échelle européenne et compte aujourd’hui 22 États membres pour un budget de 1.3 milliard d’euros annuel. Le CERN a pour vocation la physique fondamentale, la découverte des constituants et des lois de l’Univers. C’est à dire ? Éléments de réponse avec Madjid Boutemeur, professeur des universités, docteur en physique nucléaire et physique des particules. Il fait partie de l’élite mondiale des chercheurs en ce domaine.

Le principal domaine de recherche du CERN est donc la physique des particules, à savoir l’étude des composants fondamentaux de la matière. Ces recherches ont d’ores et déjà été récompensées par 3 prix Nobel. Aujourd’hui, nous savons identifier des catégories de particules, observer leurs interactions et définir leur trajectoire. Une expérience reconstituée à échelle humaine pour les visiteurs du CERN, dans ce que l’on appelle une chambre à brouillard… Explications avec Frédérique Badaud, physicienne au laboratoire de physique de Clermont – Ferrand.

Chambre à brouillard - CERN @AgathePetit

Chambre à brouillard – CERN @AgathePetit

Depuis une cinquantaine d’années, les physiciens des particules décrivent la structure fondamentale de la matière à l’aide d’une série d’équations complexes, constituant ce qu’ils appellent le « modèle standard ». Ce modèle décrit le comportement des particules fondamentales – les constituants de base dont est fait toute chose visible dans l’Univers – ainsi que les quatre forces qui s’exercent entre elles. Pour cela, il faut étudier ce qui se passe lorsque ces particules entrent en collision ! Pour mettre à l’épreuve ces équations, ils utilisent les accélérateurs et détecteurs de particules les plus puissants du monde. Présentation avec un physicien au Globe, l’emblème de la science et de l’innovation du CERN.

Le LHC (le »Grand collisionneur de hadrons »), c’est donc un tube de 27 km implanté à la frontière franco-suisse à une centaine de mètres de profondeur. Sur celui-ci sont greffés quatre détecteurs : Atlas, CMS, Alice et LHCb à l’intérieur desquels les particules entrent en collision. On peut en observer plusieurs centaines par seconde ! A chaque détecteur correspond une expérience particulière :

– Atlas & CMS : découvrir des nouvelles particules élémentaires comme le boson de Higgs, une particule vainement recherchée jusqu’à ce jour

– Alice : étudier la matière nucléaire dans un état extrême de température et de densité, la « soupe » de quarks et de gluons qui aurait existé, quelques microsecondes après le Big Bang. Alice pourra apporter des éclairages nouveaux sur les questions fondamentales telles que l’organisation ultime de la matière soumise à l’interaction forte et l’état de la matière dans les premiers instants de l’Univers.

– LHCb : l’étude de l’asymétrie matière – antimatière. L’objectif ultime est de mieux comprendre pourquoi l’Univers est constitué exclusivement de matière, alors qu’à sa naissance matière et antimatière étaient présentes à parts égales.

Avec le temps, ce « modèle standard », qui a permis d’expliquer de nombreux résultats expérimentaux et a prédit avec précision toute une série de phénomènes, s’est imposé comme une théorie reposant sur de solides fondements expérimentaux. Pourtant, comme l’indique Madjid Boutemeur, il ne décrit que 4 % de l’Univers connu.

Les recherches du CERN tendent à faire avancer nos connaissances et notre compréhension du monde. Les découvertes qui y sont faites trouvent des applications dans des domaines tels que l’imagerie médicale, l’archéologie, la restauration d’œuvres d’art… Saviez-vous que le Louvre possède son propre détecteur de particules ? C’est grâce à cette technique que l’on peut observer les différentes couches d’une même toile, et découvrir son histoire…