Phillip Hopkins
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Il y a dix ans, le plus grand instrument scientifique du monde a été mis en marche et le début d'une dynastie de recherche a commencé.
Le 10 septembre 2008, un faisceau de protons a été tiré pour la première fois sur tout l'anneau de 27 kilomètres de long du Grand collisionneur de hadrons (LHC) - le plus grand et le plus grand briseur d'atomes jamais construit au monde. Situé dans le laboratoire du CERN, juste à l'extérieur de Genève, en Suisse, le LHC a été construit pour briser ensemble des faisceaux hautement énergétiques de protons à une vitesse proche de la lumière. L'objectif affiché était de créer et de découvrir le boson de Higgs, la dernière pièce manquante du modèle standard, notre meilleure théorie du comportement de la matière subatomique. Mais l'objectif était plus grand que cela. Ce que nous voulions vraiment faire était de découvrir quelque chose de complètement inattendu - si grand et si nouveau que cela signifierait que nous devions réécrire les manuels.
Et le LHC ne s'est pas allumé silencieusement. Au cours des semaines et des mois précédents, la presse était remplie d'histoires haletantes de craintes que le LHC fasse un trou noir qui détruirait la Terre. Les médias ont fait du bon travail pour dissiper les affirmations sombres, mais l'histoire était tout simplement trop belle pour ne pas être imprimée, même parmi les médias imprimés, en ligne et audiovisuels les plus responsables..
Le laboratoire du CERN où se trouve le LHC a décidé d'inviter la presse à voir le faisceau inaugural du LHC. La frénésie du trou noir a fait en sorte que les médias se sont manifestés en grand. BBC, CNN, Reuters et plusieurs dizaines de médias internationaux étaient présents pour les festivités. Hormis les trous noirs, c'était un choix dangereux du point de vue des relations publiques: les nouveaux accélérateurs sont des bêtes capricieuses, et le LHC l'était particulièrement. Il se compose de milliers d'aimants et de dizaines de milliers d'alimentations, d'électronique de surveillance, etc. Le moindre accident aurait pu retarder, pendant des jours ou des semaines, la première circulation réussie du faisceau. [Photos: Le plus grand pulvérisateur d'atomes du monde (LHC)
Il y a eu des moments tendus ce matin-là. Les premières tentatives ont échoué en raison de certaines alimentations rebelles. Cependant, juste avant 10h30, heure locale, les opérateurs de l'accélérateur ont réussi à faire passer un faisceau de protons de très faible intensité à travers l'ensemble du complexe. Étant donné que le LHC est essentiellement composé de deux accélérateurs - pour recevoir des faisceaux allant dans des directions opposées - l'étape suivante consistait à guider un faisceau à travers le deuxième ensemble de tuyaux de faisceau. Cela s'est produit peu de temps après le premier succès. Les médias du monde entier ont annoncé l'accomplissement technique au fur et à mesure. La physique des particules obtient rarement ce genre d'exposition médiatique.
Malgré l'effervescence mondiale, ce qui a été accompli ce jour-là était relativement modeste. Des faisceaux de faible énergie et de faible intensité provenant d'accélérateurs d'alimentation avaient été injectés dans le LHC. Les faisceaux avaient fait le tour de l'anneau plusieurs fois, à faible énergie, ce qui signifie l'énergie la plus basse pour laquelle le LHC avait été conçu. Le fonctionnement du LHC est qu'il accepte un faisceau de particules provenant d'accélérateurs plus petits, puis accélère le faisceau jusqu'à une énergie plus de 15 fois supérieure à celle qu'il reçoit. Lors de cette première tentative, il n'y a jamais eu l'intention d'accélérer le faisceau. Il suffisait de le faire circuler sur le ring avec succès.
De plus, l'intensité des faisceaux était inférieure à un dix millionième de l'intensité nominale. Dans les faisceaux de particules, l'intensité est similaire à la luminosité lorsque l'on parle de lumière. Les faisceaux peuvent être rendus plus intenses en ajoutant plus de protons ou en focalisant le faisceau à une taille plus petite. Ce jour-là, la focalisation était encore un objectif futur et seuls très peu de protons ont été placés dans l'accélérateur. Et au départ, le timing de l'électronique de l'accélérateur n'était pas tout à fait correct. Donc, il y avait clairement un chemin à parcourir.
Mais peu importe. C'était passionnant, et c'était certainement un tremplin important sur la voie des opérations complètes. Des bouchons ont éclaté. Le champagne était bu. Le dos a été giflé et des photos ont été prises. C'était une bonne journée.
Je n'étais pas au CERN pour le premier faisceau. Après tout, mon intérêt pour le programme LHC est de l'utiliser pour écraser des particules à haute énergie, et tout le monde savait qu'aucune collision ne se produirait alors. Au lieu de cela, j'étais au Fermilab, le laboratoire phare des accélérateurs de particules en Amérique et l'institution de recherche la plus influente pour travailler sur l'analyse des données du LHC, en plus du CERN lui-même. Les deux laboratoires ont une relation fraternelle, et nous nous acclamons lorsqu'un obstacle technique est surmonté. Au Fermilab, nous avons décidé d'organiser une soirée pyjama pour les scientifiques et la communauté locale dans la nuit du 10 septembre. C'était extraordinaire. Des centaines de personnes locales se sont présentées à 2h00 du matin et ont attendu le succès de la circulation du faisceau à 4h30 du matin, heure locale. Je me suis promené, discutant avec des membres du public, des journalistes qui n'arrivaient pas à convaincre leurs rédacteurs en chef de les envoyer en Europe et à d'autres scientifiques. Les acclamations de la foule étaient suffisamment fortes pour que j'aime penser qu'ils pouvaient les entendre au CERN, à 4400 miles à l'est.
Bien sûr, les succès de la matinée du 10 septembre 2008 étaient très importants, mais ils n'étaient qu'une étape vers le résultat souhaité, qui était de mettre en service l'accélérateur de particules le plus puissant de la planète. Pour ce faire, les 1 232 aimants géants entourant le LHC ont dû être mis à l'épreuve et testés à plein courant électrique. Ainsi, le personnel des accélérateurs du CERN s'est concentré sur la finition. Et c'est là que les choses ont mal tourné. Le 22 septembre, les opérateurs secouaient le dernier jeu d'aimants, lorsqu'un joint de soudure défectueux a provoqué la surchauffe d'un jeu de barres en cuivre, le faisant fondre, puis l'arc, puis perforer la bouteille thermos qui contenait l'hélium liquide qui permettait le aimants pour résister aux dix mille ampères de courant qui ont rendu possibles les puissants champs magnétiques. [Galerie: Recherche du boson de Higgs au LHC]
Avec cette crevaison, l'hélium a été libéré à haute pression… formant un jet suffisamment fort pour pousser un aimant de 35 tonnes sur le côté de 18 pouces et tirer les supports de montage hors du béton solide. L'hélium était à moins 450 Fahrenheit et il a refroidi le tunnel du LHC sur un mile autour des dégâts. La réparation des dommages et l'ajout d'équipements supplémentaires de protection contre les pannes ont pris plus d'un an.
C'est le 27 février 2010 que le personnel de l'accélérateur du LHC était prêt à réessayer. Et, pendant environ une heure et quart, ils ont répété l'exercice, en faisant circuler à nouveau des faisceaux dans des directions opposées. Cette fois, l'effort a été tenté sans en avertir d'abord les médias. Et c'est le 19 mars que le personnel a finalement accéléré le faisceau à une énergie 3,5 fois plus élevée que le précédent accélérateur record du monde, le Fermilab Tevatron. Il se trouve que j'étais au CERN ce jour-là, et la réalisation a été accomplie dans les petites heures juste avant l'aube. J'ai regardé les moniteurs avec des collègues et, lorsque le faisceau stable a été déclaré, le champagne, les gifles dans le dos et les acclamations sont revenus, cette fois sans caméras de télévision.
Depuis ce jour, le LHC n'est plus qu'un phénomène scientifique… délivrant des faisceaux extraordinaires à quatre détecteurs disposés autour de l'anneau. La production scientifique à ce jour a été prodigieuse, les deux plus grandes expériences publiant chacune plus de 800 articles, et l'ensemble du programme de recherche publiant plus de 2000.
La découverte la plus marquante de la dernière décennie a été le boson de Higgs, la dernière pièce manquante du modèle standard de physique des particules. Il a été annoncé le 4 juillet 2012, à nouveau à un public mondial, avec une couverture sur plus d'un millier de chaînes de télévision à un milliard de téléspectateurs. Encore une fois, le monde partageait l'excitation de la découverte. [6 Implications de la découverte d'une particule de boson de Higgs]
Et l'avenir du LHC est en effet prometteur. Bien que nous exploitions l'installation avec succès depuis une décennie maintenant, l'intention est de continuer à utiliser l'accélérateur pour faire des découvertes. Actuellement, le plan est de poursuivre les opérations pendant au moins les deux prochaines décennies. En fait, à la fin de 2018, on estime que les expériences au LHC n'auront collecté que 3% des données qui seront enregistrées pendant la durée de vie de l'installation. À la fin de 2018, le LHC interrompra ses opérations pendant deux ans pour des travaux de rénovation et de modernisation. Au printemps 2021, il reprendra ses opérations avec des détecteurs bien améliorés. Il n'est pas possible de savoir quelles vérités scientifiques nous découvrirons en utilisant le LHC. C'est la chose à propos de la science… si nous savions ce que nous découvririons, cela ne s'appellerait pas de la recherche. Mais le LHC est, sans aucun doute, un joyau intellectuel et technologique - une réalisation dont les chercheurs d'antan ne pouvaient que rêver. Le LHC peut sonder les plus petites échelles de distance, les énergies les plus élevées et recréer les dernières conditions communes dans l'univers à peine un dixième de billionième de seconde après le Big Bang. C'est un instrument d'exploration et de découverte. Et nous ne faisons que commencer. Ça va être glorieux.
Joyeux anniversaire, LHC.
Don Lincoln est chercheur en physique au Laboratoire Fermi. Il est l'auteur de "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind" (Johns Hopkins University Press, 2014), et il produit une série de vidéos sur l'enseignement des sciences. Suivez-le sur Facebook. Les opinions exprimées dans ce commentaire sont les siennes.
Don Lincoln a contribué à cet article aux voix d'experts de Live Science: Op-Ed & Insights.