Ce que la mise à niveau apporte au CERN

Six ans après sa découverte, le boson de Higgs valide une prédiction. Bientôt, une mise à niveau du grand collisionneur de hadrons permettra aux scientifiques du CERN de produire davantage de ces particules pour tester le modèle standard de physique

Un événement candidat ATLAS pour le boson de Higgs (H) se désintégrant en deux quarks bottom (b), en association avec un boson W se désintégrant en un muon (μ) et un neutrino (ν). (Photo : ATLAS/CERN)

Écrit par Rashmi Raniwala et Sudhir Raniwala

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Six ans après la découverte du boson de Higgs au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, les physiciens des particules ont annoncé la semaine dernière avoir observé la désintégration de cette particule insaisissable. La découverte, présentée par les collaborations ATLAS et CMS, a permis d'observer la désintégration du boson de Higgs en particules fondamentales connues sous le nom de quarks bottom.

En 2012, la découverte du boson de Higgs, lauréat du prix Nobel, a validé le modèle standard de physique, qui prédit également qu'environ 60 % du temps, un boson de Higgs se désintégrera en une paire de quarks bottom. Selon le CERN, tester cette prédiction est crucial car le résultat soutiendra soit le modèle standard - qui repose sur l'idée que le champ de Higgs confère une masse aux quarks et autres particules fondamentales - soit ébranlera ses fondements et indiquera une nouvelle physique.

Le boson de Higgs a été détecté en étudiant les collisions de particules à différentes énergies. Mais ils ne durent qu'une zeptoseconde, soit 0,000000000000000000001 seconde, donc détecter et étudier leurs propriétés nécessite une quantité incroyable d'énergie et des détecteurs avancés. Le CERN a annoncé plus tôt cette année qu'il allait procéder à une mise à niveau massive, qui sera achevée d'ici 2026.

Pourquoi étudier les particules ?

La physique des particules sonde la nature à des échelles extrêmes, pour comprendre les constituants fondamentaux de la matière. Tout comme la grammaire et le vocabulaire guident (et contraignent) notre communication, les particules communiquent entre elles selon certaines règles qui sont ancrées dans ce que l'on appelle les « quatre interactions fondamentales ». Les particules et trois de ces interactions sont décrites avec succès par une approche unifiée connue sous le nom de modèle standard. Le SM est un cadre qui nécessitait l'existence d'une particule appelée boson de Higgs, et l'un des principaux objectifs du LHC était de rechercher le boson de Higgs.

Comment de telles particules minuscules sont-elles étudiées ?

Les protons sont collectés en paquets, accélérés à presque la vitesse de la lumière et amenés à entrer en collision. De nombreuses particules émergent d'une telle collision, appelée événement. Les particules émergentes présentent un motif apparemment aléatoire mais suivent des lois sous-jacentes qui régissent une partie de leur comportement. L'étude des modèles d'émission de ces particules nous aide à comprendre les propriétés et la structure des particules.

Initialement, le LHC a fourni des collisions à des énergies sans précédent nous permettant de nous concentrer sur l'étude de nouveaux territoires. Mais, il est maintenant temps d'augmenter le potentiel de découverte du LHC en enregistrant un plus grand nombre d'événements.

(Source : CERN)

Alors, que signifiera une mise à niveau ?

Après avoir découvert le boson de Higgs, il est impératif d'étudier les propriétés de la particule nouvellement découverte et son effet sur toutes les autres particules. Cela nécessite un grand nombre de bosons de Higgs. Le SM a ses défauts, et il existe des modèles alternatifs qui comblent ces lacunes. La validité de ces modèles et d'autres qui offrent une alternative au SM peut être testée en expérimentant pour vérifier leurs prédictions. Certaines de ces prédictions, y compris les signaux pour la matière noire, les particules supersymétriques et d'autres mystères profonds de la nature, sont très rares et donc difficiles à observer, ce qui nécessite en outre la nécessité d'un LHC à haute luminosité (HL-LHC).

Imaginez essayer de trouver une variété rare de diamant parmi un très grand nombre de pièces apparemment similaires. Le temps nécessaire pour trouver le diamant convoité dépendra du nombre de pièces fournies par unité de temps pour l'inspection et du temps pris pour l'inspection. Pour accomplir cette tâche plus rapidement, nous devons augmenter le nombre de pièces fournies et inspecter plus rapidement. Dans le processus, de nouveaux morceaux de diamant, jusque-là inaperçus et inconnus, pourraient être découverts, changeant notre perspective sur les variétés rares de diamants.

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Une fois mis à niveau, le taux de collisions augmentera, tout comme la probabilité des événements les plus rares. De plus, discerner les propriétés du boson de Higgs nécessitera leur apport abondant. Après la mise à niveau, le nombre total de bosons de Higgs produits en un an peut être environ 5 fois le nombre produit actuellement ; et dans la même durée, le total des données enregistrées peut être plus de 20 fois.

Avec la luminosité proposée (une mesure du nombre de protons traversant par unité de surface et par unité de temps) du HL-LHC, les expériences pourront enregistrer environ 25 fois plus de données dans la même période que pour le fonctionnement du LHC. Le faisceau du LHC compte environ 2 800 paquets, chacun contenant environ 115 milliards de protons. Le HL-LHC contiendra environ 170 milliards de protons dans chaque paquet, ce qui contribuera à une augmentation de la luminosité d'un facteur 1,5.

Comment sera-t-il amélioré ?

Les protons sont maintenus ensemble dans le paquet à l'aide de champs magnétiques puissants de types spéciaux, formés à l'aide d'aimants quadripolaires. La focalisation du paquet dans une taille plus petite nécessite des champs plus forts, et donc des courants plus importants, nécessitant l'utilisation de câbles supraconducteurs. Des technologies plus récentes et de nouveaux matériaux (niobium-étain) seront utilisés pour produire les champs magnétiques puissants requis qui sont 1,5 fois les champs actuels (8-12 tesla).

La création de longues bobines pour de tels champs est à l'essai. De nouveaux équipements seront installés sur 1,2 km de l'anneau LHC de 27 km à proximité des deux grandes expériences (ATLAS et CMS), pour focaliser et comprimer les paquets juste avant leur croisement.

Des câbles d'une centaine de mètres en matériau supraconducteur (liaisons supraconductrices) pouvant transporter jusqu'à 100 000 ampères seront utilisés pour connecter les convertisseurs de puissance à l'accélérateur. Le LHC obtient les protons d'une chaîne d'accélérateurs, qui devra également être mise à niveau pour répondre aux exigences de la haute luminosité.

Comme la longueur de chaque paquet est de quelques cm, pour augmenter le nombre de collisions, une légère inclinaison est produite dans les paquets juste avant les collisions pour augmenter la zone effective de chevauchement. Cela se fait en utilisant des « cavités de crabe ».

La communauté de la physique expérimentale des particules en Inde a participé activement aux expériences ALICE et CMS. Le HL-LHC nécessitera également une mise à niveau de ceux-ci. La conception et la fabrication des nouveaux détecteurs, ainsi que l'analyse des données qui en découleront, bénéficieront d'une contribution significative de la part des scientifiques indiens.

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