Contexte de la signature de l'Accord entre les Etats-Unis et le CERN

La construction du plus grand accélérateur de particules du monde

Le CERN - le Laboratoire européen pour la physique des particules - est l'un des plus grands laboratoires de recherche du monde. Fruit d'une aventure européenne commune déjà ancienne, il a été fondé en 1954 et s'étend de part et d'autre de la frontière franco-suisse, à l'ouest de la ville de Genève. Ses dix-neuf Etats membres - l'Allemagne, l'Autriche, la Belgique, le Danemark, l'Espagne, la Finlande, la France, la Grèce, la Hongrie, l'Italie, la Norvège, les Pays-Bas, la Pologne, le Portugal, la République slovaque, la République tchèque, le Royaume-Uni, la Suède et la Suisse - contribuent à son budget (870,1 millions de francs suisses en 1997) en proportion de leurs revenus nationaux.

Le CERN a pour mission la recherche pure, en l'occurrence l'étude des plus petits constituants de la Nature, les particules fondamentales, afin de découvrir les lois qui régissent notre monde et l'Univers tout entier. Les densités d'énergie atteintes dans les collisions frontales des particules accélérées dans les machines du Laboratoire sont proches de celles qui prévalaient sans doute immédiatement après le "Big Bang", et elles sont suffisantes pour créer les particules élémentaires qui peuplaient cet Univers primordial. Des détecteurs, construits autour des points de collision, enregistrent la brève existence de ces particules et reconstituent ainsi certains instants de l'évolution au début de l'Univers.

En 1977 déjà, lors des discussions préparatoires en vue de la construction du grand collisionneur électron-positon LEP du CERN, il était apparu clairement que les travaux de creusement du tunnel pour le LEP présenteraient, du point de vue économique, un plus grand intérêt si ce tunnel pouvait être réutilisé pour une machine succédant au LEP. Pendant les travaux d'étude et de construction du LEP au début des années 80, des groupes du CERN ont donc entrepris de réfléchir activement à l'avenir à plus long terme. Après de longues années de travail sur les aspects techniques et les besoins scientifiques d'une telle machine, ces groupes ont vu leur rêve se réaliser en décembre 1994, lorsque l'organe directeur du CERN, le Conseil du CERN, s'est prononcé en faveur de la construction du grand collisionneur de hadrons (LHC).

L'anneau LHC sera constitué d'aimants supraconducteurs de forte puissance ayant chacun une longueur de 15 mètres. Ces aimants maintiendront sur orbite stable deux faisceaux de protons circulant en sens opposés autour de l'anneau, tandis que des cavités accélératrices supraconductrices porteront ces particules à des vitesses voisines de celle de la lumière et à des énergies jamais atteintes jusqu'à présent dans des accélérateurs et pouvant atteindre 14 TeV. Lorsque ces faisceaux de protons entreront en collision au niveau de points de croisement fixes, leur énergie cinétique totale produira une minuscule et intense 'boule de feu' donnant naissance à plusieurs centaines de particules nouvelles. Ces brèves bouffées d'énergie permettront de "sonder" les interactions entre les quarks, ces infimes constituants dissimulés au plus profond des protons en collision, et de révéler ainsi comment la Nature opère aux échelons les plus fondamentaux.

La technologie

Construire les instruments capables de créer des conditions aussi extrêmes, puis analyser les résultats avec une précision extraordinaire, représente un incroyable défi qui ne sera relevé qu'au prix de progrès dans de nombreuses technologies extrêmement complexes. Le succès du LHC dépend directement de la capacité des scientifiques du CERN, en étroite collaboration avec l'industrie, à repousser les techniques connues bien au-delà de leurs limites actuelles.

L'anneau LHC comprendra quelque 1260 aimants de courbure supraconducteurs. Techniquement, ces aimants sont parmi les éléments les plus complexes de la machine. A très basse température certains matériaux acquièrent une propriété appelée la supraconduction: leur résistance au passage d'un courant électrique disparaît. Sous ces conditions, des supraconducteurs de faible section peuvent aisément laisser passer des intensités élevées. Il en résulte que des aimants compacts peuvent être construits et utilisés à un coût largement inférieur à celui des aimants classiques "chauds" réalisés avec du cuivre ou de l'aluminium. L'aimant supraconducteur ne consomme que l'énergie nécessaire au refroidissement du câble qui le maintient dans l'état supraconducteur.

Les aimants de courbure du LHC comprendront deux entrefers empruntés par deux chambres à vide destinées à contenir les faisceaux de protons en circulation. Ce concept unique en son genre et innovateur permet de loger dans un seul cryostat l'assemblage magnétique pour les deux faisceaux circulant en sens opposés. Le coût est ainsi réduit de 25% et l'espace limité du tunnel du LEP est utilisé bien plus efficacement que si deux anneaux d'aimants complètement séparés étaient construits.

Afin que les protons du LHC atteignent leur énergie de collision de 14 TeV, ces électroaimants supraconducteurs de pointe doivent maintenir une induction magnétique de 8,36 teslas, la plus élevée jamais utilisée dans un accélérateur. A cet effet, les bobines doivent être refroidies à 1,8 K (-271,2 C), température inférieure à celle des espaces sidéraux (2,7 K). Une étape importante de la mise au point des aimants a été franchie quand le premier prototype d'aimant de courbure du LHC a été testé avec succès au CERN, le 14 avril 1994. Durant ces essais, l'aimant, dans son cryostat rempli d'hélium superfluide, a surpassé l'induction nominale du LHC (8,36 T) dès la première tentative. Par la suite, cet aimant a été porté à 9,5 T, ce qui offre une bonne marge de sécurité au-delà de l'induction magnétique nominale. En décembre de la même année, un prototype complet d'une section du LHC a été exploité pour la première fois. La chaîne d'aimants a depuis fait l'objet d'essais ardus, simulant plus de dix ans d'exploitation. Les résultats ont été extrêmement encourageants et ont confirmé que les choix techniques cruciaux opérés pour la construction des aimants du LHC étaient les bons.

Pour étudier les collisions des minuscules quarks prisonniers tout au fond des protons, il faut un microscope permettant d'atteindre des échelles jamais observées jusqu'à présent. Mais le microscope seul - l'anneau d'aimants supraconducteurs de 27 kilomètres du LHC - ne suffit pas. Les chercheurs qui l'utilisent doivent avoir une vue perçante. Leurs "yeux" sont deux puissants détecteurs appelés ATLAS et CMS, l'un et l'autre d'une hauteur équivalente à cinq étages et construits comme une poupée russe avec des modules étroitement ajustés les uns aux autres autour du point de collision des faisceaux en leur centre. Deux détecteurs de plus petite taille, ALICE et LHC-B, seront également construits pour se concentrer sur des domaines particuliers de la physique. Chaque module, bourré de la technologie la plus avancée, est construit de façon à réaliser un travail d'observation particulier avant que les particules ne le quittent pour la couche plus périphérique suivante. Les réactions intéressantes, produites lorsque les "pépins" durs que représentent les quarks à l'intérieur des protons en collisions dans le LHC s'entrechoquent de front, sont extrêmement rares. La plupart du temps, ces quarks se frôlent en restant presque imperturbables et en fournissant une physique moins intéressante.

Pour voir suffisamment de collisions dures entre quarks, les physiciens doivent s'efforcer d'obtenir des fréquences de collisions protonÐproton très élevées. Ces fréquences sont mesurées en une unité appelée la luminosité - la luminosité dans un collisionneur à deux faisceaux est donnée par le nombre de particules par seconde dans l'un des faisceaux multiplié par le nombre de collisions par unité de surface de l'autre faisceau au point de collision. Le LHC vise à atteindre des luminosités cent fois supérieures à celles auxquelles parviennent les expériences actuelles. Pour y parvenir, les paquets de protons du LHC, enfilés comme des perles sur une chaîne et séparés de 25 nanosecondes - 25 milliardièmes de seconde - se traversent mutuellement quelque 40 millions de fois par seconde, produisant à chaque fois 20 interactions d'un type ou d'un autre. Une collision sur un milliard seulement sera une collision dure entre quarks, et le système de saisie des données du détecteur doit sélectionner cet événement et l'analyser rapidement afin de ne pas rater le suivant. En comparaison, chercher une aiguille dans une botte de foin semble chose facile.

En outre, l'usure causée par tant de protons de haute énergie signifie que les détecteurs doivent être coriaces. Leurs éléments de précision doivent continuer à fonctionner année après année avec un entretien minimum. Pour répondre à ces exigences rigoureuses, le CERN a créé en 1990 un Comité de recherche et développement sur les détecteurs afin de contrôler les nouveaux projets. A la suite de ces travaux, plusieurs nouvelles techniques prometteuses ont été affinées. Elles peuvent maintenant être utilisées dans certains éléments des détecteurs du LHC.

Les défis technologiques que pose le LHC exigent de nouvelles percées dans les domaines de la supraconductivité, de l'électronique rapide, de la cryogénie, des superordinateurs, de la technologie du vide, des science des matériaux et dans bien d'autres disciplines. Les nouvelles technologies qui sont mises au point pour le LHC deviendront le terrain fertile dans lequel pourront germer et s'épanouir de nouvelles industries de haute technologie.

La physique

Au cours des deux dernières décennies, les physiciens ont construit non sans mal un tableau cohérent du monde subnucléaire, tableau connu sous le nom de 'modèle standard'. Celui-ci s'est trouvé jusqu'ici confirmé par tous les résultats expérimentaux. Il comporte toutefois un trop grand nombre de quantités inconnues pour qu'on puisse le considérer comme la théorie ultime. Le LHC présente un énorme potentiel de découverte, car il pénétrera dans un domaine d'énergie totalement inexploré, où les physiciens sont convaincus qu'une nouvelle physique au-delà du modèle standard devrait se manifester.

La plus grande énigme qui se pose aujourd'hui aux physiciens des particules est celle de la masse: la notion de masse peut certes apparaître à ce point fondamentale que sa remise en cause soit impossible. Mais les physiciens ont posé, sur sa nature, un grand nombre de questions déroutantes auxquelles le modèle standard n'a pas de réponse. Par exemple, à la différence des éléments chimiques, les particules fondamentales de la physique ne montrent aucune régularité en ce qui concerne leurs masses. Le lepton tau est environ 17 fois plus lourd que le muon et 3491 fois plus que l'électron. Des rapports tout aussi mystérieux existent entre les quarks. Quant aux neutrinos, il se pourrait même qu'ils soient dépourvus de masse. Le modèle standard est incapable d'expliquer ces masses, et l'une des grandes tâches des physiciens des particules consiste à découvrir l'origine de la masse. Existe-t-il une raison intrinsèque pour que les quarks et les leptons possèdent les masses qu'on leur connaît? Pourquoi ces dernières sont-elles si différentes et pourquoi certaines particules ont-elles une masse et d'autres non?

Des réponses à ce type de questions peuvent être fournies par le subtil 'mécanisme de Higgs' qui suggère que les particules acquièrent une masse en interagissant avec un champ de force, le champ de Higgs, qui est présent partout. La découverte d'une ou de plusieurs particules correspondantes, le ou les bosons de Higgs, constituerait la preuve de l'existence de ce champ. On n'a jamais observé de signe indiquant la présence de particules de Higgs, mais des calculs fondés sur le modèle standard suggèrent que quelque chose doit nécessairement apparaître lorsque les énergies des quarks atteignent l'ordre du TeV. Or c'est exactement ce domaine d'énergie que le LHC a reçu pour mission d'explorer et, quelle que soit la nature du mécanisme de Higgs, le LHC la révélera certainement, ouvrant ainsi une ère entièrement nouvelle dans notre connaissance de la Nature.

La clé du mystère de la masse n'est pas la seule découverte à la portée du LHC. Peut-être la question la plus essentielle est-elle celle qu'ont posée des cosmologistes, et non des physiciens des particules: "Que contient l'espace?" Les observations astronomiques montrent qu'il existe davantage de matière qu'on n'en a décelé jusqu'à présent. Les objets brillants comme la Terre, toutes les planètes et toutes les étoiles ne constituent ensemble que le dixième de la matière qui existe. Les neuf dixièmes restants sont appelés "matière obscure" par les spécialistes. Une explication envisagée pour cette matière obscure serait l'existence de particules stables non encore découvertes, et les plus récents résultats obtenus avec le LEP suggèrent qu'une nouvelle famille de particules pourrait précisément exister à l'énergie qui sera explorée par le LHC. La découverte de ces nouvelles particules 'supersymétriques' pourrait expliquer de quoi est constituée la plus large part de notre Univers.

Une autre question fondamentale posée par les cosmologistes est celle de savoir pourquoi la matière existe dans l'Univers. A l'époque du Big Bang, la matière et l'antimatière auraient dû être produites en quantités identiques. L'Univers aurait dû alors avoir une vie très brève, puisque ces deux types de particules s'annihilent mutuellement. Or l'Univers a survécu avec une prédominance de matière. Dans les années 60, le théoricien russe Andréi Sakharov avait formulé une explication à la prédominance de la matière sur l'antimatière qui se fondait sur une légère asymétrie dans le comportement des particules de matière et d'antimatière. En 1973, des théoriciens japonais ont montré qu'un Univers constitué de trois familles de quarks et de leptons pourrait satisfaire aux conditions posées par Sakharov. La confirmation ultérieure, au CERN, de l'existence de trois familles de particules de matière suggère que cette théorie pourrait être l'approche correcte pour expliquer l'état actuel de l'Univers. Il reste encore énormément à faire pour l'étude de cette question, et le LHC sera l'instrument idéal pour permettre aux physiciens d'examiner cette asymétrie de matière et d'antimatière par des études détaillées du comportement du quark connu sous le nom de quark de beauté. Cette question sera abordée par le détecteur LHC-B.

Dans le monde des accélérateurs de particules, le LHC joue pour ainsi dire le rôle du 'couteau de l'armée suisse'. Sa souplesse permet de l'affecter à plusieurs tâches différentes, tout d'abord parce qu'il occupera le même site que d'autres collisionneurs et sources de particules du CERN. Des ions lourds accélérés tels que des noyaux de plomb pourraient être produits dans le complexe d'accélérateurs du CERN et injectés dans le LHC. Des collisions entre ces morceaux de matière produiront de très grandes concentrations d'énergie et permettront ainsi d'étudier le 'plasma quark-gluon', un état de la matière qui a peut-être existé peu de temps après le Big Bang et qui pourrait encore se trouver aujourd'hui dans le noyau d'étoiles effondrées. Le détecteur "ALICE" est conçu dans la perspective de cette étude.

Un laboratoire mondial

Depuis le milieu des années 80, le nombre de scientifiques du monde entier utilisant les installations du CERN s'est énormément accru. Actuellement, plus de 6500 utilisateurs, soit plus de la moitié des physiciens expérimentateurs des hautes énergies de la planète, s'occupent de recherche fondamentale au CERN. Cette communauté d'utilisateurs, venue de toutes les parties du monde, est la preuve vivante que le CERN encourage la collaboration interrégionale qui sert l'intérêt général et stimule le progrès scientifique. Le LHC, seule machine capable de s'attaquer à des problèmes bien au-delà des frontières actuelles de la physique des hautes énergies, offre une occasion unique d'élargir la collaboration à l'ensemble du globe. La porte est ouverte à la participation d'Etats non-membres à la conception finale, la construction et l'exploitation de la machine LHC et de ses expériences, et les Etats non-membres ont manifesté un enthousiasme considérable. Outre la contribution des Etats-Unis:

• Le Japon a déjà versé une généreuse contribution de 8,85 milliards de yens.
• Un accord, signé en mars 1996 avec l'Inde, prévoit une contribution à l'accélérateur LHC d'une valeur nette de 12,5 millions de dollars pour le CERN.
• Un accord, signé avec la Russie en juin 1996, prévoit des contributions dÕune valeur nette pour le CERN de 67 millions de francs suisses respectivement pour l'accélérateur LHC et pour ses détecteurs.
• Un accord signé avec le Canada prévoit une contribution en nature au LHC pendant la première moitié de la période de construction d'une valeur de 30 millions de dollars canadiens.

La fondation du CERN dans les années d'après-guerre a créé un précédent pour l'unification des nations d'Europe afin de mener des recherches de haute qualité. Le LHC offre maintenant l'occasion passionnante d'établir un modèle pour la collaboration planétaire de l'avenir en mégascience.