Personne ne joue avec le Grand collisionneur de hadrons. C'est le broyeur de particules suprême de l'ère actuelle, et rien ne peut toucher ses capacités énergétiques ou sa capacité à étudier les frontières de la physique. Mais toute gloire est transitoire et rien ne dure éternellement. Finalement, vers 2035, les lumières de cet anneau de courant de 27 km s'éteindront. Qu'est-ce qui vient après ça?
Des groupes concurrents du monde entier se bousculent pour obtenir un soutien financier afin de faire de leurs idées de collisionneurs d'animaux de compagnie la prochaine grande chose. Une conception a été décrite le 13 août dans un article du journal de préimpression arXiv. Connu sous le nom de Compact Linear Collider (ou CLIC, parce que c'est mignon), le canon à rail massif et subatomique proposé semble être le précurseur. Quelle est la vraie nature du boson de Higgs? Quelle est sa relation avec le quark top? Pouvons-nous trouver des indices de physique au-delà du modèle standard? CLIC peut être en mesure de répondre à ces questions. Il s'agit uniquement d'un collisionneur de particules plus long que Manhattan.
Course de dragsters subatomiques
Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) brise des particules quelque peu lourdes appelées hadrons (d'où le nom de l'installation). Vous avez un tas de hadrons à l'intérieur de votre corps; les protons et les neutrons sont les représentants les plus courants de ce clan microscopique. Au LHC, les hadrons tournent en rond dans un cercle géant jusqu'à ce qu'ils approchent de la vitesse de la lumière et commencent à s'écraser. Bien qu'impressionnant - le LHC atteint des énergies inégalées par tout autre appareil sur Terre - toute l'affaire est un peu désordonnée. Après tout, les hadrons sont des particules de conglomérat, juste des sacs d'autres choses plus minuscules et plus fondamentales, et lorsque les hadrons se brisent, toutes leurs tripes se répandent partout, ce qui rend l'analyse compliquée.
En revanche, CLIC est conçu pour être beaucoup plus simple, plus propre et plus chirurgical. Au lieu des hadrons, CLIC accélérera les électrons et les positrons, deux particules fondamentales légères. Et ce smasher accélérera les particules en ligne droite, de 7 à 31 miles (11 à 50 km), selon la conception finale, jusqu'au fond du canon.
Toute cette génialité ne se produira pas d'un coup. Le plan actuel est que CLIC démarre à une capacité inférieure en 2035, juste au moment de la fermeture du LHC. Le CLIC de première génération fonctionnera à seulement 380 gigaélectronvolts (GeV), soit moins d'un trentième de la puissance maximale du LHC. En fait, même la pleine puissance opérationnelle de CLIC, actuellement ciblée sur 3 téraélectronvolts (TeV), est inférieure au tiers de ce que le LHC peut désormais faire.
Donc, si un collisionneur de particules de nouvelle génération avancé ne peut pas battre ce que nous pouvons faire aujourd'hui, quel est l'intérêt?
Chasseur de Higgs
La réponse de CLIC est de travailler plus intelligemment, pas plus fort. L'un des principaux objectifs scientifiques du LHC était de trouver le boson de Higgs, la particule recherchée depuis longtemps qui prête aux autres particules leur masse. Dans les années 1980 et 1990, lorsque le LHC était en cours de conception, nous n'étions pas sûrs que le Higgs existait même, et nous n'avions aucune idée de sa masse et de ses autres propriétés. Nous avons donc dû construire un instrument à usage général qui pourrait enquêter sur de nombreux types d'interactions qui pourraient tous potentiellement révéler un Higgs.
Et nous l'avons fait. Hourra!
Mais maintenant que nous savons que le Higgs est une chose réelle, nous pouvons régler nos collisionneurs sur un ensemble d'interactions beaucoup plus étroit. Ce faisant, nous viserons à fabriquer autant de bosons de Higgs que possible, à collecter des tas de données juteuses et à en apprendre beaucoup plus sur cette particule mystérieuse mais fondamentale.
Et voici peut-être le plus étrange jargon de physique que vous rencontrerez probablement cette semaine: Higgsstrahlung. Oui, vous avez bien lu. Il y a un processus en physique des particules connu sous le nom de bremsstrahlung, qui est un type unique de rayonnement produit par un tas de particules chaudes entassées dans une minuscule boîte. Par analogie, lorsque vous claquez un électron dans une position à haute énergie, ils se détruisent mutuellement dans une pluie d'énergie et de nouvelles particules, parmi eux un boson Z associé à un Higgs. Par conséquent, Higgsstrahlung.
À 380 Gev, la CLIC sera une extraordinaire usine Higgsstrahlung.
Au-delà du quark top
Dans le nouveau document, Aleksander Filip Zarnecki, physicien à l'Université de Varsovie en Pologne et membre de la collaboration CLIC, a expliqué l'état actuel de la conception de l'installation, sur la base de simulations sophistiquées des détecteurs et des collisions de particules.
L'espoir avec CLIC est qu'en produisant simplement autant de bosons de Higgs que possible dans un environnement propre et facile à étudier, nous pouvons en apprendre davantage sur la particule. Y a-t-il plus d'un Higgs? Se parlent-ils? Dans quelle mesure les Higgs interagissent-ils avec toutes les autres particules du modèle standard, la théorie principale de la physique subatomique?
La même philosophie sera appliquée au quark top, le moins bien compris et le plus rare des quarks. Vous n'avez probablement pas beaucoup entendu parler du quark top parce que c'est une sorte de solitaire - c'était le dernier quark à être découvert, et nous ne le voyons que rarement. Même aux stades initiaux, CLIC fabriquera environ 1 million de quarks supérieurs, fournissant une puissance statistique inconnue lors de l'utilisation du LHC et d'autres collisionneurs modernes. À partir de là, l'équipe derrière CLIC espère enquêter sur la décomposition des particules du quark top, ce qui arrive très rarement. Mais avec un million d'entre eux, vous pourriez peut-être apprendre quelque chose.
Mais ce n'est pas tout. Bien sûr, c'est une chose d'étoffer les Higgs et le quark top, mais la conception intelligente de CLIC lui permet de repousser les limites du modèle standard. Jusqu'à présent, le LHC est venu à sec dans ses recherches de nouvelles particules et de nouvelles physiques. Bien qu'il nous reste encore de nombreuses années pour nous surprendre, au fil du temps, l'espoir diminue.
Grâce à sa production brute d'innombrables bosons de Higgs et quarks supérieurs, CLIC peut rechercher des indices de nouvelle physique. S'il y a des particules ou des interactions exotiques, cela pourrait affecter subtilement les comportements, les désintégrations et les interactions de ces deux particules. CLIC peut même produire la particule responsable de la matière noire, cette matière mystérieuse et invisible qui modifie le cours des cieux. Bien sûr, l'installation ne pourra pas voir directement la matière noire (car elle est sombre), mais les physiciens peuvent repérer quand l'énergie ou l'élan a disparu des événements de collision, signe certain que quelque chose de génial se passe.
Qui sait ce que CLIC pourrait découvrir? Mais quoi qu'il en soit, nous devons aller au-delà du LHC si nous voulons avoir une chance décente de comprendre les particules connues de notre univers et d'en découvrir de nouvelles.
Paul M. Sutter est astrophysicien à Université d'État de l'Ohio, hôte de "Demandez à un astronaute" et "Radio spatiale, "et auteur de"Votre place dans l'univers."
