« Je trouvais les livres pour enfants ennuyeux, alors j’ai lu plein de livres scientifiques », confie John Ellis, physicien théoricien qui a travaillé sur le processus « Higgs-strahlung », dont la compréhension a contribué à la découverte du boson de Higgs en 2012. 

Personalities and History of CERN
John Ellis, du King’s College à Londres, dans son bureau au CERN. Les ouvrages qui l’entourent sont ceux qui lui ont donné le goût de la physique alors qu’il était encore enfant, et que, à la bibliothèque, la littérature de fiction autre que « jeunesse » était réservée aux plus de 14 ans... (Image : Sophia Bennett/CERN)

L’ennui. Les physiciens théoriciens du CERN sont nombreux à avoir choisi leur métier pour y échapper.  C’est paradoxal, car la physique est souvent considérée comme « ennuyeuse » ou « compliquée ». Certains des théoriciens du CERN ne se voyaient pas faire carrière dans la physique, parce que les cours leur paraissaient rébarbatifs. Ils s’imaginaient plutôt devenir mathématiciens, médecins ou ingénieurs.

C’est grâce à des enseignants passionnés, qui voyaient dans les mathématiques une manière d’appréhender les lois de la nature  que certains physiciens ont trouvé leur voie. D’autres, qui ont mis plus de temps à découvrir la physique théorique, aimaient déjà la physique depuis l’enfance, bien avant qu’on ait pu les persuader que c’était ennuyeux.

« J’aimais la physique, mais je la trouvais un peu aride et parfois ennuyeuse. C’est pour ça que j’ai choisi d’étudier la médecine », explique Camille Bonvin, boursière au sein du département Théorie.

C’est après avoir commencé les cours à la faculté de médecine qu’elle a eu une révélation, grâce à un enseignant du secondaire : « En fin d’année, nous avons eu ce prof génial qui s’est mis à nous parler de cosmologie, de relativité générale et de mécanique quantique. Il n’était pas entrée dans les détails car nous n’avions pas les connaissances nécessaires, mais il nous avait exposé les idées cachées derrière ces théories bizarres dont je n’avais jamais entendu parler. »

Cet enseignant a été l’étincelle et, six semaines après le début des cours de médecine, Camille Bonvin s’est réorientée vers la physique. Elle travaille aujourd’hui comme professeure assistante à l’Université de Genève, où elle a obtenu son doctorat en 2008.

« Ce n’est pas que la médecine ne me plaisait pas, mais j’avais l’impression que, si je suivais cette voie, je ne pourrais jamais en apprendre plus sur la relativité générale ou la physique quantique  », explique-t-elle.

De la même manière, Gian Giudice, nouveau chef du département Théorie, a été séduit par la physique après avoir compris, grâce à un professeur remplaçant passionné, que si la physique à l’école est souvent ennuyeuse, c’est parce qu’elle n’utilise pas les mathématiques comme outil. Or ce sont les mathématiques qui rendent la physique passionnante.

« Mon professeur de lycée était intéressant quand il s’agissait de mathématiques, mais devenait ennuyeux dès qu’il était question de physique. Il nous présentait certaines lois, mais tout ça semblait profondément assommant, explique-t-il. Un jour où il était malade, un jeune remplaçant nous a démontré comment, en appliquant les lois de la mécanique à un système de particules en collision, on peut en déduire les lois de la thermodynamique. Cela m’a ouvert les yeux sur le pouvoir de la déduction logique en physique. Cette expérience a changé ma vie ! »

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Camille Bonvin, boursière au sein du département Théorie, a commencé des études de médecine. Au bout de six semaines, elle s’est réorientée vers la physique, parce qu’elle voulait avoir la possibilité d’étudier la relativité générale et la cosmologie. (Image : Sophia Bennett/CERN)

Michelangelo Mangano travaille au sein du département Théorie depuis 22 ans. C’est lorsqu’il était encore enfant, à force de contempler les étoiles et l’immensité de l’Univers, qu’il a su quelle voie il devait suivre pour en apprendre le plus possible.

« Je suis de la génération des missions Apollo vers la Lune. C’est ça qui m’a attiré vers le cosmos. J’ai toujours eu envie de m’orienter vers l’astronomie et l’astrophysique », confie-t-il avec un large sourire. « Pourtant, lorsqu’est venu le moment d’étudier l’astrophysique à l’université, j’ai réalisé qu’il n’était plus question d’observer le ciel mais plutôt de faire des calculs. Ma fascination pour le sujet s’est évaporée. » Il s’est donc tourné vers la physique des particules pour que la contemplation des étoiles reste toujours un plaisir pour lui. 

Un grand nombre de physiciens théoriciens ont dû attendre l’université pour comprendre que si, comme les autres disciplines scientifiques, la physique des particules permet de répondre à des questions sur le fonctionnement du monde, elle opère à un niveau plus fondamental. Il s’agit, par l’observation de la nature, d’arriver à dégager les lois physiques qui régissent toute chose. « La physique n’est pas une science descriptive, consistant simplement à observer la nature et à établir un catalogue de faits. L’objectif est bien de comprendre la logique derrière ces faits et de découvrir le fonctionnement intime du monde», explique Gian Giudice. 

Qu’est-ce que la théorie ?

En arrivant à l’université, tous ces théoriciens étaient passés d’une passion d’enfant pour les sciences, assortie d’une aptitude aux mathématiques, au choix d’étudier la physique pour en faire une carrière. Mais la physique se divise en de nombreux sous-domaines, et c’est souvent la physique expérimentale, avec ses grosses machines dignes de films de science fiction, qui parle le plus facilement à l’imaginaire collectif.

« Au début, je trouvais la physique des particules très aride. Puis, en l’abordant sous l’angle des mathématiques, je me suis rendu compte du lien extraordinaire qui existe entre les mathématiques et la structure de l’Univers, et l’attrait est devenu irrésistible. » – Michelangelo Mangano

Les expériences ont été essentielles aux grandes découvertes de physique de cette décennie, même si elles n’ont fait que confirmer l’existence de choses prédites par la théorie il y a plusieurs dizaines d’années. En 2012, le Grand collisionneur de hadrons a défrayé la chronique en découvrant le boson de Higgs ; le mois dernier, l’Observatoire d’ondes gravitationnelles par interférométrie laser (LIGO), expérience à grande échelle basée aux États-Unis, a détecté des ondes gravitationnelles 100 ans après les prédictions d’Einstein.

Ces deux découvertes ont démontré que la théorie de la relativité générale d’Einstein et celle du Modèle standard [lien] sont les descriptions les plus justes de notre monde, même si elles ne permettent pas de tout expliquer.

Les théories ont toujours indiqué aux expériences ce qu’elles devaient chercher et où elles devaient le chercher. La théorie est si importante pour la physique expérimentale que le département Théorie du CERN a été créé deux ans avant le reste du Laboratoire [lien], avec à sa tête Niels Bohr.

En 1952, un groupe de théoriciens, dont beaucoup avaient moins de trente ans, se réunissait à Copenhague autour de trois objectifs : la recherche scientifique sur les problèmes fondamentaux en physique nucléaire, la formation des jeunes physiciens théoriciens et l’instauration d’une coopération active entre laboratoires. Le département Théorie du CERN était né. Depuis lors, le département a travaillé sur un grand nombre de théories, allant de la supersymétrie à la théorie des cordes.

Mais aujourd’hui il semble que les théories et les idées puissent un jour être orientées par les expériences, et non plus l’inverse. Alors, qu’est-ce qui pousse un jeune physicien diplômé à suivre la voie de la théorie plutôt que celle de l’expérimentation ?

Pourquoi choisir la théorie ?

« J’ai toujours voulu être théoricien. J’ai étudié la physique, j’en ai fait à l’école, et mon intention a toujours été de devenir théoricien. Pour tout dire, à l’université, j’ai étudié les mathématiques et la physique théorique, mais sans jamais faire d’expériences. » – John Ellis 

« Il y a tant de petits détails à vérifier lorsqu’on construit une expérience. Contrôler tous les aimants, enrouler 100 mètres de câble... des choses pas follement stimulantes. Les expérimentateurs ont besoin de s’entourer de beaucoup de monde au sein des collaborations simplement pour répartir ces tâches ingrates. En théorie, nous nous concentrons sur l’aspect conceptuel des choses », explique Slava Rychkov, un autre théoricien du CERN, en précisant toutefois que les théoriciens se réjouissent toujours d’assister à la construction d’une gigantesque expérience.

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« Quand j’étais à l’université, à Moscou, j’avais une double spécialisation. J’ai commencé par faire de la recherche en mathématiques pures, puis, plus tard, je me suis essayé à la physique théorique. J’y ai trouvé autant de plaisir qu’avec les maths, mais en bonus j’avais la sensation de vraiment étudier les questions fondamentales de la nature. » Slava Rychov (Image : Sophia Bennett/CERN)

Pour lui, la décision de devenir théoricien plutôt qu’expérimentateur a été facile. En réalité, son choix s’est plutôt fait entre les mathématiques et la physique. « Là où un physicien théoricien se dit “c’est bon, cette théorie se vérifie à 99 %, passons à la suite”, un mathématicien peut passer des dizaines d’années à essayer de découvrir le pour cent manquant. C’est un lourd prix à payer. »

Comme le célèbre théoricien Richard Feynman, qui avait évoqué son manque d’aptitude pour l’électronique et le bricolage de sa radio étant enfant, de nombreux théoriciens du CERN ont en commun un manque total d’aptitude aux choses pratiques.

« Je ne sais rien faire de mes dix doigts, s’amuse John Ellis, assis devant les montagnes de papiers et de livres qui remplissent son bureau.  Avant-hier, ma femme a obtenu de moi que je fasse des travaux de peinture dans la maison. C’était la première fois en 30 ans ! »

Gian Giudice avait le même problème. Avec un large sourire, il explique qu’il n’aurait jamais réussi ses épreuves pratiques à l’université sans l’aide de ses camarades de laboratoire. « J’étais nul. Je faisais toujours n’importe quoi au labo, je ne savais pas comment m’y prendre. Les autres m’aidaient pour tout. Heureusement pour moi, parce que je n’ai vraiment pas l’esprit pratique. » Michelangelo Mangano était très mauvais en électronique, mais il ne pense pas que cela traduise un manque d’habileté manuelle, car il nous parle de ses talents pour la menuiserie, la maçonnerie et le travail du bois. 

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Malgré ses capacités pratiques, Wolfgang Lerche (à droite) travaille sur les aspects profondément mathématiques de la théorie des cordes. Il est ici interrogé par Harriet Jarlett pour cette série d’articles (Image : Sophia Bennett/CERN)

Wolfgang Lerche, quant à lui, aimait beaucoup l’électronique étant adolescent. Il affirme même qu’il pourrait en remontrer à ses camarades expérimentateurs pour ce qui est des tâches pratiques.  Lorsqu’il était étudiant en Allemagne, la physique des particules n’était pas enseignée dans son université. Il l’a découverte en 1979, alors qu’il s’était rendu au CERN en tant qu’étudiant d’été. Là, il a trouvé un nouveau monde qui s’offrait à lui, et le royaume de la théorie lui a ouvert ses portes.

Wolfgang Lerche sait que, même si les aptitudes nécessaires en physique expérimentale et en théorie sont différentes, certains éléments se recoupent. « Tous les physiciens passent le plus clair de leur temps à essayer de trouver la réponse à une question non résolue. La capacité de gérer la frustration et la patience pour résoudre des problèmes “impossibles” font partie des compétences de base des théoriciens comme des expérimentateurs. »