Rendez-vous avec la dompteuse de protons

Afin de comprendre pourquoi le boson de Higgs est perçu comme la découverte du siècle, La Voix a rencontré celle qui a fait en sorte que les protons du CERN tournent bien rond. Notre Savoyard de l’année !

« Regarde ce faisceau comme il est beau ! Il est vraiment tombé pile où on voulait. Y a de quoi être content, comme un gamin qui met un but ! » Quatre ans après, Katy Foraz est toujours émerveillée, enthousiaste et très fière de montrer les résultats de la première expérimentation menée avec ce qui est un peu son bébé, le LHC, le plus grand accélérateur de particules au monde. Un tunnel circulaire de 27 kilomètres situé à 100 mètres sous terre, à cheval entre le canton de Genève et le pays de Gex. Il a pour objet de provoquer la collision de minuscules particules à la vitesse de la lumière. Et sur le graphique et l’image transcrivant le résultat de 2008 que nous montre Katy, on constate en effet qu’elles ont immédiatement tapé dans le mille. Des faisceaux de protons ont ainsi pu se fracasser les uns contre les autres. Comme dans une sorte de séance de tirs au but pour physiciens, épreuve dont l’inlassable répétition a finalement permis de découvrir cet été ce qui était considéré comme le chaînon manquant dans la constitution de l’univers, le boson de Higgs.

Une Savoyarde responsable du LHC

Deux jours après la publication par deux équipes du CERN (organisation européenne pour la recherche nucléaire) de leurs travaux ayant conduit à la découverte expérimentale du fameux boson, c’est dans ce temple de la physique que l’on a retrouvé Katy Foraz, une Savoyarde ayant grandi entre Aix-les-Bains et Chambéry. En 1998, on lui a confié la responsabilité de planifier la construction du LHC, le grand collisionneur. Et aujourd’hui, elle est celle qui coordonne ses activités, sa maintenance, sa consolidation et ses améliorations. Celle qui avait aussi la semaine dernière la charge de présenter cette machine d’exception à un visiteur de prestige, le Premier ministre Jean-Marc Ayrault. Aujourd’hui, elle n’a plus son beau gilet rose, mais c’est La Voix qu’elle accueille ! Alors pour nous, pas de visite dans le tunnel car on n’arrête de faire tourner le LHC que pour les vrais VIP, essentiellement les dirigeants des vingt Etats membres de cet organisme de recherche international qu’est le CERN. Katy a en revanche accepté de nous conduire dans ce qui serait le saint des saints, la salle de contrôle. Là où nous retrouvons Gianluigi, sympathique physicien italien qui nous fait faire un petit tour du propriétaire, histoire que l’on comprenne à quoi ils jouent ici.

De la bouteille d’hydrogène au crash

Dans cette grande salle regorgeant d’ordinateurs et d’écrans de contrôle, Gianluigi nous explique le processus qui va amener les protons à la collision. D’abord, on prend une bouteille d’hydrogène gazeux en guise de matière première. On la secoue dans une espèce de four à micro-onde afin de décomposer les atomes en neutron et en protons, pour ne conserver que ces derniers. Et c’est parti. A l’aide d’un champ électrique et d’une pile, on va accélérer le mouvement des protons en les dotant d’une énergie de 30 000 électrons-volt. Puis un accélérateur linéaire doté d’un système de radio-fréquence va les booster jusqu’à 50 millions d’électrons volts, ce qui est encore de la gnognote. Car au moyen de deux accélérateurs cette fois circulaires, on va ensuite atteindre un niveau de 26 milliards d’électrons-volt (soit 26 Gev) avec des particules dont la vitesse atteint désormais 99,93% de celle de la lumière. Ce processus a jusqu’ici duré 1 seconde et demie, mais place maintenant au SPS (super proton cyclotron), un autre accélérateur circulaire qui va porter le niveau d’énergie des protons à 450 Gev, leur vitesse montant également encore d’un cran. Cela va prendre six secondes, et les protons sont prêts à pénétrer dans le LHC. Il rassemble en fait deux machines, deux cylindres au sein de chacun desquels va être envoyé un faisceau. Constitués de plus de 1 000 « paquets » de 150 milliards de protons, ces faisceaux vont  une fois de plus être accélérés pour atteindre la quasi vitesse de la lumière - 99,9999…% de cette vitesse en fait inatteignable par des particules dotées d’une masse - mais surtout une énergie colossale de 4 Tev, soit 4 000 Gev, des milliers de milliards d’électron-volts. Et là, ces deux faisceaux dotés de la puissance d’un TGV lancé à 150 km/h se retrouvent à circuler en sens inverse et dirigés de telle sorte qu’un certain nombre de protons se percutent de plein fouet dans des zones où leurs trajectoires convergent, et ceci pendant plus de dix heures. Les collisions vont provoquer la décomposition de particules, une désintégration que les physiciens vont alors s’attacher à analyser. « C’est comme si tu arrives sur les lieux d’un accident de voitures, nous glisse l’un des physiciens présents dans la salle. Tu vois le résultat, et en fonction de là où sont situés les décombres, tu peux comprendre ce qui s’est passé, de quel genre de voiture il s’agissait et ce qui lui est arrivé. »

A l’origine de l’univers

Tout ça pour ça ? Toute cette débauche d’énergie et surtout de moyens (le projet LHC a coûté cinq milliards de francs suisse) pour uniquement provoquer des crashs de protons ? Mais pourquoi donc ? « Pour savoir où tu vas, il faut savoir d’où tu viens, rappelle Katy Foraz. Et ici, les physiciens vont très loin afin de comprendre quelles sont les lois qui régissent l’univers depuis sa formation. » Pour cela, des conditions similaires à celle qui devaient être celles de l’univers juste après le big bang ont été artificiellement reproduites au sein du tunnel du LHC, à savoir une énergie prodigieuse libérée dans un vide intersidéral. On a ainsi créé ce vide en pompant tout ce qui pouvait l’être afin d’arriver à l’état primal qui fut celui du temps zéro et des poussières. Une première seconde où il s’en est passé des choses, puisqu’on y serait parti de rien avant de voir apparaître des radiations, des particules lourdes, des quarks, des neutrons, des protons… En gros ce qui allait servir à faire notre univers. Après cette première seconde hyperactive, il faudra attendre 300 000 ans pour voir des électrons se mettre en orbite autour des neutrons et des protons – facteur essentiel à la constitution d’atomes -, puis 800 millions d’autres années afin que la gravité s’impose et permette la matérialisation des galaxies telles que nous les connaissons. Tout ceci, Katy me le rappelle dans une salle pédagogique du CERN où l’on observe sur des schémas la base de nos connaissances en la matière. En s’appuyant sur ces visuels, elle me parle aussi de trois forces originelles régissant l’univers : l’électro-magnétisme, la force faible (à l’origine de la radioactivité) et la force forte qui permet aux quarks de se souder pour former des particules telles que les protons. « Ce sont trois forces constitutives de ce qu’on appelle le modèle standard. En les reliant, il permet de comprendre comment les particules s’organisent. Mais dans la formule définissant ce modèle, il y avait un H qui représentait le boson de Higgs. C’est lui qui faisait que cela marche, sauf qu’il n’avait jamais été observé jusqu’à présent. Cela restait donc théorique, et le boson de Higgs demeurait le chaînon manquant de notre modèle standard. »

Un champ de bosons super probable

Récapitulons : un modèle physique dit standard permet depuis une cinquantaine d’années de comprendre comment les particules se sont organisées dès la seconde qui a suivi le big-bang. Mais il était spéculatif car comprenait un élément non identifiable, le boson de Higgs, qui tire son nom de l’un des trois physiciens (avec Robert Brout et François Englert) l’ayant théorisé dans les années 1960 : Peter Higgs. Indiquons au passage que le boson est parmi les deux types de particules élémentaires - l’autre étant le fermion - celui ayant la spécificité de posséder des propriétés de symétrie particulières lors de l’échange de particules. Comme moi, vous ne voyez pas trop ce que cela signifie ? Rassurez-vous, Katy aussi se perd dans ce jargon de physicien, mais elle souligne que « l’important, c’est que le boson de Higgs est ce qui a donné de la masse aux particules. Et qu’il agit comme le fait un champ. » Un champ qui serait donc constitué de ces bosons. L’image que donne certains physiciens pour le symboliser est d’ailleurs celle d’un sol recouvert de neige qui impacterait différemment celui qui entre en contact avec lui. Imaginez-vous donc dans une de nos pentes enneigées. Si vous la descendez en ski, vous allez glisser sur la poudreuse, comme si vous étiez légers comme l’air, ou presque. Si vous avez des raquettes, vous vous enfoncerez légèrement tandis que si vous n’êtes pas équipés, vous pénétrerez profondément dans la neige qui vous fera alors ressentir tout l’effet de votre masse. Et bien voilà grossièrement comment ces bosons agissent sur les particules en les dotant de plus ou moins de masse selon leurs caractéristiques. Ceci a pu être établi en analysant les innombrables crashs de protons réalisées dans le LHC et en comparant les directions qu’on pu prendre les éléments issus de leurs décompositions, ce qui dépend de leur environnement dans le LHC, un vide « sur-énergisé » similaire à celui consécutif au big-bang. « Quand tu collisionnes deux particules, tu te retrouves avec des trajectoires différentes, certaines étant connues ou prévisibles, et d’autres non, précise notre Savoyarde. La théorie de Higgs avait défini une trajectoire qui serait due au boson de Higgs et s’expliquerait par l’apport de masse. C’est qu’en fonction de la trajectoire, on voit s’il y a de la masse. Alors il s’agissait de retrouver un certain nombre de fois le même type de trajectoire afin de confirmer cette théorie en arrivant au seuil de probabilité de 5 sigmas nécessaire à une découverte, ce qui a été finalisé cet été. » Pour atteindre ce seuil, il a fallu constater le même phénomène un nombre de fois suffisant pour qu’il y ait seulement une chance sur 3,5 millions que l’on ne soit pas en présence du boson imaginé par Peter Higgs, d’où une certitude de 99,999997% qu’il s’agisse bien de lui. Les Américains collisionnaient aussi à tout va pour y arriver les premiers, mais ils ont été devancés par le CERN qui a ainsi réalisé ce que le magazine Science et Avenir présente aujourd’hui comme « la découverte du siècle ».

La particule de Dieu ?

Katy Foraz ne va pas jusque-là, et d’abord parce que l’on n’est encore qu’au début du XXIe siècle ! Tout comme les physiciens du CERN, elle ne parle pas non plus de particule de Dieu, expression qui a pourtant beaucoup servi depuis que le prix Nobel américain Leon Lederman a intitulé The God Particle un livre consacré à ce qui apparaissait comme la quête ultime de la physique des particules, la découverte du boson de Higgs. L’outil grâce auquel le créateur aurait pu façonner le monde en lui donnant sa masse. « Utiliser ce genre d’expression, c’est plutôt un truc de journaliste pour vendre du rêve, relève Katy. Mais nous, on n’a rien à vendre. On veut juste expliquer les choses, et notamment pourquoi on est très content d’avoir trouvé le boson de Higgs. » Ce qui est d’ailleurs loin d’être évident quand on doit présenter des notions ou des concepts totalement imbitables pour le commun des mortels. Il fut également bien difficile avant le lancement du LHC d’expliquer que cette étrange machine souterraine n’allait pas provoquer la fin du monde. Une polémique avait alors contaminé la planète entière suite à des propos prétendument scientifiques annonçant que les collisions de protons engendrées dans le tunnel créeraient un gigantesque trou noir qui allait engloutir la Terre. Comme si en voulant croquer le boson, symbole de la connaissance ultime, les physiciens du CERN allaient être à l’origine de notre perte. Il n’en a bien sûr rien été. Reste que des menaces avaient été lancées à l’encontre des responsables du CERN, qu’une plainte avait été déposée et qu’une Chinoise s’est même suicidée avant la mise en fonction du LHC, préférant se donner elle-même la mort que d’être aspirée dans un trou noir provoqué par ceux qui cherchaient la particule de Dieu.

Des avancées technologiques

Bien loin des considérations métaphysiques et des fantasmes catastrophistes, Katy Foraz a pour sa part été confrontée à des difficultés bien réelles tout au long de la construction du LHC. « Mon job, ça a été de faire en sorte que l’on ait une machine qui marche, afin de la mettre à disposition des physiciens. Et on a beaucoup ramé. Pendant dix ans, il y avait tous les jours un problème sur le chantier. Toute une technologie a due être développée, qu’il s’agisse de cryogénie pour refroidir le tunnel jusqu’à – 271°, de l’élaboration des aimants supraconducteurs nécessaires pour que faisceaux puissent prendre les virages du tunnel avec une précision au dixième de millimètre ou de la construction de camions permettant de transporter ces aimants super fragiles. Autant de développements que l’on a réalisés pour nous, mais qui sont désormais dans le domaine public comme tout ce que l’on découvre. » Des avancées technologiques qui pourront donc bientôt servir à la collectivité, à l’instar de ce world wide web – plus communément appelé internet - qui vous permet de lire cet article et qui a été développé au CERN afin de permettre aux physiciens de communiquer entre eux.

Un prix pour Katy !

Même si son utilité semble évidemment bien moindre que celle du  web, le LHC apparaît aujourd’hui comme une grande réussite. Mais il n’a pas livré tous ses secrets. La fabrique de collisions va donc continuer avec des niveaux d’énergie qui vont encore augmenter, aussi bien pour préciser les caractéristiques du boson de Higgs que pour tenter d’élucider d’autres mystères nous renvoyant à la première seconde de l’après big-bang. Dans le tunnel qui contient l’espace le plus vide du système solaire et le point le plus chaud de la galaxie – alors que cet anneau est plus froid que l’espace intersidéral -, on ambitionne ainsi de découvrir la nature de l’anti-matière, mais aussi celle de la matière et de l'énergie noires dont on sait qu’elles remplissent 96% de notre univers bien qu’elle demeure totalement inconnue. On projette même de découvrir d’autres dimensions, tout cela à 100 mètre sous terre à deux pas de chez nous. Et c’est donc une Savoyarde qui est chargée de faire en sorte que les protons continuent de bien tourner en rond tout en se fracassent comme il se doit. Aujourd’hui encore enchantée par son LHC dont les performances ont dépassées toutes les espérances, cette ingénieur polytechnicienne au regard espiègle nous rend humaine une recherche de prime abord ô combien abstraite. Alors ce n’est pas elle qui aura le Prix Nobel, distinction qui devrait d’ailleurs revenir aux théoriciens ayant conceptualisé le boson plutôt qu’aux physiciens du CERN qui l’ont identifié. Mais Katy Foraz mériterait bien celui qui récompense le Savoyard de l’année, le Prix des neiges. Quand on repense aux pentes enneigées symbolisant ce champ où les bosons font offices de flocons, on se dit même qu’il lui semble tout destiné. Avis à ceux en charge de l’attribuer.

Brice Perrier