Rencontre entre le CERN et les ondes gravitationnelles

Les ondes gravitationnelles émises pendant la fusion de deux trous noirs. (Crédit photo : S. Ossokine, A. Buonanno, Institut Max Planck pour la physique gravitationnelle, projet Simulating eXtreme Spacetime, et D. Steinhauser, Airborne Hydro Mapping GmbH)

Qu’y a-t-il en commun entre les ondes gravitationnelles (des ondulations du tissu spatio-temporel causées par des processus énergétiques violents dans l’Univers) et la physique des particules ? À première vue, pas grand-chose. Cependant, le 1er septembre, des scientifiques de la communauté étudiant les ondes gravitationnelles et du CERN se sont réunis afin d’identifier les technologies qui pourraient être utilisées dans les deux domaines.

À l’heure où le CERN travaille en vue d’une amélioration importante du Grand collisionneur de hadrons (LHC), le LHC à haute luminosité, les scientifiques du domaine des ondes gravitationnelles envisagent eux aussi des améliorations majeures des installations existantes. Celles-ci permettront d’élargir la fenêtre qui a été ouverte sur l’Univers en février 2016, lorsque les collaborations LIGO (Observatoire d’ondes gravitationnelles à interféromètre laser) et Virgo ont annoncé la première détection d’ondes gravitationnelles, attendue de longue date : celle-ci a en effet eu lieu 100 ans après que leur existence a été prédite par Einstein dans la relativité générale, sa théorie sur la gravité.

Les ondes gravitationnelles ont été détectées au moyen de grands « interféromètres ». Ces tubes en forme de « L », dont les « bras » mesurent 4 km, contiennent une série de miroirs et de lasers sensibles à la moindre distorsion de l’appareil causée par le passage d’une onde gravitationnelle. La communauté étudiant les ondes gravitationnelles s’intéresse aujourd’hui à plusieurs technologies dans le but d’améliorer la sensibilité des observatoires actuels.

« La R&D sur les technologies et les efforts de conception pour les détecteurs d’ondes gravitationnelles de troisième génération peuvent présenter des recoupements intéressants avec les compétences du CERN ainsi qu’avec ses possibles orientations futures », explique Barry Barish, de l’Institut de technologie de Californie, l’un des fondateurs de l’expérience LIGO.

Les interféromètres de la prochaine génération pourraient avoir des bras beaucoup plus longs, être situés sous terre afin de réduire le bruit sismique, ou être refroidis à des températures cryogéniques afin de réduire l’interférence thermique. Les connaissances spécialisées dans les domaines du vide, de la cryogénie et des systèmes de contrôle-commande sont par conséquent d’une grande importance, tout comme la capacité de gérer de grands volumes de données. Le CERN peut aussi fournir des conseils sur la manière d’organiser les grandes collaborations internationales nécessaires pour concevoir, construire et exploiter les observatoires d’ondes gravitationnelles de demain.

Des observations plus précises des empreintes gravitationnelles des phénomènes les plus énergétiques de notre Univers peuvent aussi aider le CERN à progresser dans la compréhension des constituants fondamentaux de la matière. Par exemple, les collisions de trous noirs ou d’étoiles à neutrons et les explosions de supernovas pourraient faire la lumière sur certaines questions en suspens, notamment celles concernant la nature de la matière noire, les limites de la validité de la relativité générale et le comportement de la matière à des densités et des pressions extrêmes.

« Dans l’ensemble, nous avons eu un échange d’idées bénéfique, qui a ouvert la porte à l’exploration de nouvelles possibilités de travaux conjoints et de synergies », conclut Barry Barish.