voyage Ob Geneve et LHC jan2018

Photos : JPM et autres pour l'ambiance, de nombreuses photos ont été faites, elles sont à votre disposition (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)

Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir les crédits des autres photos et des animations éventuelles.

De nombreuses photos ont été faites pendant de voyage ; on en trouve par exemple à cette adresse.

Suite à une information lue dans la presse, j’ai remarqué que le LHC était en arrêt pour maintenance pendant quelques semaines, j’ai aussitôt pensé que l’on aurait peut-être la possibilité de descendre dans une des cavernes du LHC et si possible l’expérience CMS.

Nos amis de Vega étaient partant, j’ai contacté notre homme sur place, Mick Storr, qui était d’accord, il fallait trouver une bonne date et si possible un vendredi soir pour que nous ayons une chance d’être tous (nombre prévu approx 50) à l’hôtel du CERN.

Nous avions déjà effectué deux voyages à Genève, en 2010 et en 2013, alors jamais deux sans trois !

Je suis resté fidèle à la solution « autocar », c’est le meilleur moyen pour ne perdre personne et pour se déplacer sur place.

La société des cars Hourtoule nous a fait une proposition qui fut acceptée. Avec Éric Laurent notre pilote.

Cette fois-ci c’est VEGA qui patronne le voyage et nous proposons un certain nombre de places aussi à nos amis de la SAF.

L’Observatoire de Genève (Michel Mayor sera absent) le 19 dans l’après midi

Le lendemain le 20, on se répartit en plusieurs groupes pour descendre dans CMS et ensuite voir salle de contrôle et AMS


Notre pilote Éric Laurent et sa puissante machine.	Comme d’habitude, pendant le voyage, Bernard Lelard (Président de VEGA) nous propose une conférence sur ce que nous allons voir. Le texte est disponible à la fin de ce CR

De nombreux ouvrages ont été distribués (gracieusement) pendant le voyage, livres ayant trait au LHC, aux particules et au fameux boson de Higgs.

Cet observatoire date de 1772, depuis de nombreuses années il n’est plus utilisé comme observatoire ; comme la réputation suisse se porte sur l’horlogerie, ce centre est spécialisé dans la chronométrie.

En 1966 l’observatoire est situé sur le site de Sauverny au Nord-Ouest de Genève en pleine forêt.

Signalons leur « spécialité », la recherche des exoplanètes avec notamment M Mayor et D Queloz, mais aussi Stéphane Udry (Directeur actuel de l’observatoire) qui a récemment avec son équipe découvert un système exoplanétaire de 7 planètes autour de la même étoile.

L’observatoire de Genève est aussi le lieu de réception des données du satellite gamma Intégral au centre ISDC situé à quelques km de Sauverny et spécialisé dans ces données concernant l’astronomie des hautes énergies.

Plus de détails sur la présentation de ce site sur cette page de leur site Internet.

C’est Uriel Conod de l’Observatoire qui nous reçoit malgré notre retard (paiement de taxe autoroutière interminable à la frontière)


L’Observatoire développe de nouveaux instruments	L’optique adaptative a révolutionné les observations comme on le voit sur cette slide.

C‘est l’instrument dont il est le plus fier est l’interféromètre HARPS (installé à l’ESO) dont nous avions vu le deuxième exemplaire la dernière fois. Sa résolution : 10 à 20 micro arc sec.

On voit ici la première lumière d’Espresso , spectro ultra haute résolution récemment installé au VLT.

· Méthode des vitesses radiales : on détecte le léger mouvement de l’étoile quand une planète tourne autour

· Méthode des transits : très légère baisse de luminosité quand une planète passe devant une étoile.

En quelques mots Mr Conod et sa collègue nous expliquent leur découverte à propos de l’exoplanète GJ-436b dont j’ai relaté les informations récemment.

Le CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) se situe à la frontière Franco-suisse près de Genève, il a été crée en 1954 par 12 pays européens, ils sont maintenant beaucoup plus (20) et compte aussi des pays associés ‘USA, Japon, etc..)

Le CERN a été crée après guerre pour lutter contre la fuite des cerveaux vers les USA.

Ce sont Bohr et De Broglie notamment qui proposent d’élaborer un projet européen commun qui aboutira au CERN en 1954.

Le but du CERN est d’accélérer des particules à très hautes énergies et de traiter les données qui proviennent des diverses expériences qui s’y déroulent.

· 1965 : la France accorde le droit de construire sur son sol, on démarre la construction de l’ISR.

· 1981 : on décide de construire le Large electron positron collider (LEP) dans un tunnel de 27 km de circonférence.

· 1994 : la construction du LHC (Large Hadron Collider) est décidé, il utilisera le tunnel du LEP.

Le CERN emploie près de 3000 personnes à plein temps et accueille 6000 scientifiques de toutes nations.

Plan du CERN, attention le vendredi : arriver par la France c’est plus judicieux !!!!

Après avoir été bloqué dans les bouchons pendant au moins 30 minutes, nous retrouvons Mick.

$..\..\ARCHIVES PHOTOS\ARCHIVES PHOTOS 2010\DECEMBRE 2010\LHC-geneve-14-15dec2010\LHC-geneve-14-15dec2010-low\LHC14-15dec2010_109-alow.jpg$
Symbole du CERN : le Globe, particulièrement bien éclairé la nuit. Il abrite une exposition ainsi que tous les détails qui expliquent la création du web ! Il contient aussi les textes originaux qui ont mené au Prix Nobel 2013.	C’est Mick Storr qui s’est occupé parfaitement de nous durant ce séjour.

Mick est responsable de la formation et de l’organisation des visites au CERN.

Le CERN accueille maintenant près de 100.000 visiteurs par an dont la moitié sont des élèves.

Après nous avoir conduits à nos chambres à l’hôtel du Centre (bâtiment 39), Mick nous a réservé une surprise.

Il a réservé l’amphithéâtre principal du CERN, là où a été annoncée la découverte du boson de Higgs en 2012, pour nous et pour Mr Daniel Treille, éminent physicien des particules qui nous s donné une brillante présentation sur les buts du CERN et son futur.

Daniel Treille est physicien de recherche au CERN et président du conseil scientifique de l'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules du CNRS. Initiateur et acteur de divers programmes expérimentaux, il est l'un des pères fondateurs et réalisateurs de DELPHI (Detector with lepton, proton and hadron identification), une des quatre grandes expériences du Large Electron-Positron Collider (au CERN), qu'il a dirigé de 1996 à 1998.

Ses sujets de recherche portent sur les problèmes clé de la physique des particules, le mécanisme de brisure de la symétrie électrofaible, la recherche de la supersymétrie, l'unification des forces.

Il est membre de l'expérience CMS (compact muon solenoid) du Large Hadron Collider (au CERN).

L’amphi mythique où a été annoncée la nouvelle concernant le boson de Higgs.

Le projet CLIC (Collisionneur linéaire compact) serait un collisionneur linéaire cette fois, où des électrons et des positons (antiélectrons) entreraient en collision à des énergies de plusieurs TeV.

Il se présenterait comme un accélérateur qui pourrait être construit en plusieurs étapes.

La collision e- e+ est plus précise que celle de des protons et permettrait de mettre au jour plus facilement de nouvelles particules.

On creuserait sous le Jura et sous le lac à l’aide de plusieurs tunneliers un anneau circulaire de 80km de circonférence similaire au LHC mais allant plus haut en énergie (100 TeV ?) pouvant permettre une nouvelle physique.

Comme ce sera un projet très coûteux, il faudra certainement faire rentrer l’Asie et les USA dedans.

La dernière slide (en bas à droite) est particulièrement intéressante concernant l’histoire thermique de l’Univers.

Bref après autant d’informations en une journée, nous avons enfin la possibilité d’aller à la cafeteria (même bâtiment que l’auditorium)

Sommeil bien mérité, on se retrouve le lendemain matin après le petit déjeuner pour la visite de l’expérience CMS.

Mais voici d’abord quelques informations sur le LHC et plus particulièrement le CMS, pour ceux qui ont oublié.

Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) est le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules du monde.

Il est aussi la dernière machine à être venue enrichir le complexe d’accélérateurs du CERN : son démarrage a eu lieu le 10 septembre 2008.

Cet anneau de 27 kilomètres est jalonné d’aimants supraconducteurs, associés à des structures accélératrices qui augmentent l’énergie des particules qui y sont propulsées.

Dans l'accélérateur, deux faisceaux de particules de haute énergie circulent à une vitesse proche de celle de la lumière avant d'entrer en collision. Les faisceaux se déplacent dans des directions opposées, dans des tubes distincts placés sous ultravide. Un puissant champ magnétique généré par des électroaimants supraconducteurs les guide tout au long de leur parcours dans l’accélérateur.

Ces aimants sont composés de bobines d’un câble électrique spécial qui, parce qu’il est à l’état supraconducteur, conduit l’électricité sans la moindre résistance ni perte d’énergie. Le secret derrière cette performance ? Les aimants sont maintenus à moins 271,3 °C, une température plus basse que celle de l’espace intersidéral. Aussi une grande partie de l’accélérateur est-elle reliée à un système de distribution d’hélium liquide, qui refroidit les aimants, et alimentée par d’autres services.

Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) est le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules du monde. (Image: CERN)

Des milliers d’aimants de nature et de tailles différentes guident les faisceaux le long de l’accélérateur.

On utilise notamment 1232 aimants dipolaires (de 15 mètres de long) pour courber les faisceaux et 392 aimants quadripolaires (de 5 à 7 mètres de long) pour concentrer les faisceaux. Juste avant la collision, un autre type d’aimant vient resserrer les particules et augmenter la probabilité des collisions. Réaliser une collision entre des particules aussi minuscules exige une précision comparable à celle qu’il faudrait pour faire se percuter deux aiguilles lancées à 10 km de distance.

Toutes les commandes de l’accélérateur, ses services et son infrastructure technique sont regroupés au Centre de contrôle du CERN. C’est à partir de là que les faisceaux du LHC sont guidés pour entrer en collision en quatre points de l'anneau où se situent quatre détecteurs de particules – ATLAS, CMS, ALICE et LHCb.

La performance du Grand collisionneur de hadrons (LHC) reste supérieure aux attentes : cette semaine, le nombre de paquets de protons injectés dans chaque faisceau a été porté à 2 200, ce qui constitue la valeur la plus élevée qui sera atteinte cette année.

« Compte tenu de cette limite, c'est une excellente performance, indique Mike Lamont, chef du groupe des opérations. Nous nous situons 10 % au-dessus de la luminosité nominale (que nous avons dépassée en juin), nous avons de très longs cycles (durant lesquels le faisceau peut circuler pendant 20 heures environ) et les taux de collision sont très élevés. Atteindre 2 200 paquets, c’est simplement en injecter autant que possible compte tenu des restrictions afin d’optimiser les données de l'expérience. »

Autre exemple de la performance remarquable de la machine, un niveau de luminosité intégrée de 22 fb^-1 a déjà été atteint alors qu’il reste presque deux mois d’exploitation cette année. Cette valeur est très proche de l’objectif de 25 fb^-1 fixé pour 2016 (4 fb^-1 de plus que l'année dernière) et équivaut à 2 200 milliards de collisions.

La luminosité est un indicateur important de la performance d’un accélérateur. Elle correspond au nombre de collisions susceptibles de se produire en un temps donné. La luminosité intégrée, quant à elle, (mesurée en femtobarns inverses, fb^-1) est le nombre cumulé de collisions potentielles. Au sommet de sa performance, le LHC atteint environ un milliard de collisions proton-proton par seconde, ce qui augmente la probabilité des processus les plus rares à très haute énergie.

Le SPS connaît actuellement une petite défaillance qui pourrait être aggravée par une intensité de faisceaux élevés. C'est pour cette raison que le nombre de paquets envoyés dans le LHC par injection est limité à 96, contre 288 en temps normal.

« Dès que le problème sera résolu, lors du prochain arrêt technique de fin d'année, nous pourrons encore augmenter le nombre de paquets injectés. L’année prochaine, nous devrions pouvoir atteindre de nouveaux records », se réjouit Mike Lamont.

Lorsque deux particules, ici des protons, se rencontrent à très haute énergie (c’est-à-dire presque à la vitesse de la lumière), leur collision (ou interaction), produit de nombreuses nouvelles particules très éphémères. À chaque interaction, ces particules sont différentes car leur production suit des règles probabilistes. Pour étudier ces interactions, il faut donc des appareillages capables de détecter tous les types de particules connues, avec la plus grande précision possible. Comme ces deux conditions sont parfois incompatibles, chaque expérience choisit quel type de processus physique elle veut étudier en particulier, et choisit les sous-détecteurs appropriés. Les différentes expériences sont donc complémentaires.

Le LHC accélérera également des ions lourds, dont les collisions produiront des nombres beaucoup plus grands de particules. Pour les détecter correctement, il faut un appareillage adapté en ce sens. Une deuxième raison pour la présence de plusieurs expériences, vient de l’indispensable processus de validation des résultats scientifiques et de l’émulation qui en découle.

Une découverte isolée nécessite des confirmations, et le recouvrement entre les sujets de physique accessibles aux expériences doit permettre cette confrontation. En effet, les mesures effectuées seront entachées d’incertitudes qui sont liées aux performances des détecteurs. En combinant les résultats fournis par plusieurs expériences, il sera donc possible d’améliorer la précision des mesures.

Par ailleurs, pour s’assurer de la découverte d’une nouvelle particule ou d’un nouveau phénomène physique, il sera indispensable de l’observer au sein d’au moins deux expériences.

Seules deux expériences, Atlas et CMS, ont pour objectif d’identifier toutes les particules issues des interactions, et pour cela empilent des couches cylindriques de détecteurs autour de la zone d’interaction. On dit qu’elles sont « généralistes ».

Mais dans chacune, l’accent est mis sur des points différents : Atlas, grâce à son aimant toroïdal géant, pourra mesurer les trajectoires des muons avec une très grande précision ; CMS, avec son calorimètre électromagnétique à cristaux, compte identifier et mesurer les électrons et photons avec une précision inégalée. Les deux autres expériences, Alice et LHCb se concentrent sur des processus très spécifiques, et n’ont pas besoin de couvrir tout l’espace autour du point d’interaction. Les différents sous-détecteurs sont adaptés à ces besoins. Il y a également au LHC deux autres expériences, Totem et LHCf, qui se situent de part et d’autre du point d’interaction respectivement dans les cavernes des détecteurs CMS et Atlas. Elles ne verront que les particules émises très près de l’axe du faisceau.

Tout ceci nous amène à parler de l'énorme quantité d'informations à traiter et à stocker : par exemple pour l'expérience Atlas, avec ses 700 millions de collisions/sec, on obtient 1 Gigabyte de données par seconde soit 2 Petabytes (peta = un million de GB) par an.

Tout le LHC correspondant à 10 Petabytes/an. Cela correspond comme image, à une colonne de DVD de 20km de haut par an (100.000 DVD par an).

On comprend bien qu'un seul calculateur ne peut pas gérer de telles quantités d'information; on va donc utiliser tout un réseau de calculateurs répartis dans le monde entier, c'est le fameux super réseau d'ordinateurs GRID.

Un rappel aussi sur les hadrons, ce sont des particules comme les mésons et les baryons (protons et neutrons constituants le noyau atomique) qui sont sensibles à l’interaction forte qui soude ces composants entre eux dans le noyau.

Les hadrons sont composés de quarks (ou d’antiquarks bien sûr), les gluons établissant la cohésion des quarks au sein des hadrons.

Avant d’être injectés dans le LHC, les protons subissent une accélération progressive dans des boucles de plus en plus longues. Le booster, augmente l’énergie des particules jusqu’à 1,4 GeV.

Les protons sont ensuite injectés dans deux synchrotrons le PS et le SPS, portant leur énergie à 25, puis à 450 GeV.

Ils sont ensuite envoyés dans la dernière boucle, celle du LHC proprement dite, longue de 27 km! Leur vitesse se rapprochera alors de celle de la lumière.

Nous n’avons pas pu visiter l’usine des aimants supraconducteurs, voici donc en compensation voici quelques explications sur ces aimants tirées de la dernière visite :

Pour faire tourner des particules chargées dans le LHC, il n’y a pas d’autres solutions que de leur appliquer un champ magnétique grâce à des électroaimants supraconducteurs puissants. Ceux-ci comprennent des bobines constituées de câble électrique spécial, fonctionnant dans un état « supraconducteur ». Le champ magnétique (8,3 Teslas) créé est 100 à 200.000 fois supérieur au champ terrestre.

Cela signifie qu’à une certaine température (très basse, -271K) le câble ne présente PLUS AUCUNE résistance, il ne peut donc pas chauffer et on peut en conséquence y faire passer un courant très important (près de 12.000 A !!!).

$..\..\ARCHIVES PHOTOS\ARCHIVES PHOTOS 2010\DECEMBRE 2010\LHC-geneve-14-15dec2010\LHC-geneve-14-15dec2010-low\LHC14-15dec2010_227-txtlow.jpg$ Pour garantir cette très basse température, on fait circuler de l’Hélium liquide qui refroidit ces aimants et la partie centrale des anneaux.

Cet Hélium, appelé superfluide, maintient la température à 2K, et l’intérieur de l’anneau du LHC, devient ainsi le point le plus froid de l’Univers, plus froid que l’espace ambiant à 2,7K !

L’anneau faisant 27km de long, il est composé de segments élémentaires dipolaires, les aimants de courbure (les principaux, de 15m de long 30 tonnes très légèrement courbes) et quadripolaires (qui concentrent les faisceaux) qui sont au nombre de près de 1700. en fait en comptant tous les autres petits aimants, il y en a beaucoup plus, près de 8000 en tout.

Ce sont ces aimants (en anglais on les appelle cryomagnets) qui sont testés ici, ils utilisent des câbles en Niobium/Titane (Nb/Ti) ; qui possèdent la supraconductivité lorsqu’ils sont à –271°C. Ces câbles sont bobinés 100 fois afin de générer le champ nécessaire.

Cela va permettre de pouvoir accélérer chaque faisceau à 7TeV avant les collisions. (le TeV énergie extrêmement importante au niveau atomique, correspond à notre échelle à l’énergie d’un moustique en vol…)

Comme vous le savez le LHC comporte 4 grandes expériences en 4 points espacés de l’anneau.

Son détecteur a participé à la découverte du Boson de Higgs et des particules qui pourraient constituer la matière noire.

Le détecteur CMS est construit autour d’un énorme aimant solénoïde qui se présente sous la forme d’une bobine cylindrique supraconductrice qui produit un champ magnétique d’environ 100 000 fois le champ magnétique terrestre.

Nous sommes répartis en 4 groupes de 12 personnes pour une visite complète du site avant de descendre à 100m sous terre, dans la galerie de l’expérience, galerie qui pourrait contenir Notre Dame de Paris.


Visite de l’atelier avant de descendre	Vue d’un aimant et ses connexions. Vincent à droite

On prend l’ascenseur pour descendre, et on ne peut pénétrer dans la zone sensible qu’après examen de sécurité (rétine) qui fait ouvrir le sas ; une procédure accélérée a été mise au point pour nous

Casques et charlottes toujours très saillants, on a vraiment l’air très intelligent !!!

http://www.planetastronomy.com/special/2011-special/14-15dec10/lhc-ge24.jpg

Consignes de sécurité ; l’anneau est refroidi à l ‘Hélium à –271°C (c’est le point le plus froid de l’Univers, plus froid que le CMB !), et l’He en cas de fuite peut absorber une partie de l’Oxygène de l’air, et donc en cas de problème il faut vite remonter à la surface.

Dimensions : 21 mètres de long, 15 mètres de large et 15 mètres de haut Poids : 12 500 tonnes

De notre dernière expédition de 2010, j’ai récupéré cette photo montrant le CMS fermé.

C‘est le solénoïde supraconducteur le plus grand et le plus puissant jamais construit au monde.

· Un calorimètre électromagnétique, constitué de près de 80 000 cristaux de tungstate de plomb, conçu pour mesurer l’énergie des photons, électrons ou positons. Un dispositif d’une grande finesse, le processeur de lecture sélective, fait un premier traitement des données en les associant aux informations de déclenchement.

· Un calorimètre hadronique, placé autour du précédent, et destiné à mesurer l’énergie des hadrons (protons, pions, kaons).

Le LHC est un super accélérateur de particules chargées (par exemple des protons) situé 100m sous terre et long comme le périphérique parisien, en fait un double anneau où les particules circulent (sous vide et à une température de 2K) en sens inverse et à une vitesse extrêmement proche de celle de la lumière.

Les particules sont envoyées par paquets (bunches en anglais) de quelques 100 milliards de particules.

Quand les paquets se croiseront (30 millions de fois par seconde), se produiront les collisions.

En quatre endroits (les expériences), on dévie les deux faisceaux afin de les faire se rencontrer et de provoquer ainsi des collisions, ce qui peut provoquer la création de nouvelles particules à la vie très éphémères. Certaines de ces particules sont recherchées ardemment par les physiciens, comme le Boson de Higgs.

La plupart des évènements détectés dans les expériences comme le CMS, sont…………..mis à la corbeille ; en effet on filtre les mesures (avec la fonction trigger), et on remarque que la grande majorité des conséquences de collisions est inintéressante.

Mais si on voit par exemple un choc qui produit4 muons (mésons mu), on le garde c’est peut être un Boson de Higgs.

Mais on doit remonter maintenant en remerciant tous nos amis qui nous ont permis cette descente vers les origines de l’Univers.

39 pupitres de contrôle et près de 1000 écrans, mais relativement peu de personnel, sauf pour les grands évènements, comme par exemple le jour du démarrage.

Qu'est l'antimatière devenue? En effet, au début de l'Univers (le Big Bang) il y avait autant de matière que d'antimatière, mais notre Univers maintenant semble n'être qu'à base uniquement de matière, donc une question se justifie : où est l'antimatière????

Et bien on va essayer de répondre à cette question, ou plutôt de détecter des galaxies en "antimatière".

En effet, on pense qu'il existerait des galaxies très lointaines (elles ne peuvent pas être proches, sinon on les détecterait, de par leur émission X due au contact avec de la matière) faites d'antimatière.

Mais il n'est pas facile de distinguer, rien qu'en l'observant, une galaxie d'antimatière d'une galaxie de matière, il faudrait pouvoir Détecter des antiparticules ou des antinoyaux de matière, c'est le rôle de l'instrument suivant.

L'instrument chargé de cette détection est un spectromètre magnétique Alpha (AMS : Alpha Magnetic Spectrometer), en fait un détecteur de rayons cosmiques un peu spécial, dont on peut voir une représentation ci-après.

C'est le physicien, prix Nobel 1976, Samuel Ting du MIT qui a conçu la sonde AMS avec le CERN et l’Université de Genève, il la compare souvent à l'accélérateur du CERN, car ces deux dispositifs utilisent le même phénomène: un champ magnétique puissant pour dévier les particules et les détecter.

Le professeur Ting était actuellement eu CERN, mais nous ne l’avons pas rencontré.

Voir les explications plus techniques sur les derniers astronews sur le sujet ; ceux du mois d’août 2010 et ceux d’avril 2013.

Vue de la maquette de l’ISS à l’entrée de la salle de contrôle de l’AMS.

Détecteur = aimant affectant la trajectoire des cosmiques émis par les galaxies et les possibles anti-galaxies.

Il semble qu’après analyse de près de centaines de milliards de particules ( !) on n’ait rien trouvé permettant de décider.

Un dernier déjeuner à la cafeteria , un passage obligé à la shop, une bise et un gros coffret de bulles pour Mick que l’on remercie bien fort pour tous ses efforts et on repart sous la neige pour Paris, des souvenirs plein la tête.

Voyage au LHC du CERN Association d’astronomie VEGA avec Société Astronomique de France

Nous avons aujourd’hui rendez-vous avec l’Europe des physiciens et le monde des astronomes.

Nous allons donc en Suisse ! La Suisse est la patrie de la Relativité et des découvertes des composants des atomes car c’est là qu’Einstein termina ces études, devint suisse, ce qui lui évita, étant Allemand, de partir en guerre en 1914.

Einstein arriva en Suisse à 15 ans en 1894 par hasard et par protection, après une fugue depuis l’Allemagne et un stage de mise à niveau pour obtenir son diplôme de Maturité, sorte de bac suisse. Son père et son oncle avait fondé à Munich une entreprise d’électrification urbaine. J’ai trouvé, en préparant une conf, une photo de compteur électrique de marque « Einstein » et des publicités commerciales vantant les dynamos « Einstein ». Soit-dit en passant Albert baigna dans l’électromagnétisme dès son plus jeune âge comme Obelix et sa potion, ceci expliquant un peu de cela. Ayant perdu en 1894 le marché d’électrification de Munich au profit de Siemens, l’entreprise Einstein & Cie déménage à Pavie près de Milan, laissant le jeune Albert en pension dans une famille d’accueil. Albert fugue en prenant l’un des premiers trains Munich-Milan à travers les Alpes au grand dam de son père. Lequel demande à son ingénieur Galileo Ferraris de sa succursale de Turin, ayant étudié à l’Institut Polytechnique de Zurich, où l’on parlait allemand, d’y introduire Albert. Le jeune Einstein finit par intégrer difficilement le prestigieux établissement auprès de 2 prestigieux professeurs Hermman Minkovski, mathématicien, vrai inventeur du concept espace-temps, et Henrich Weber célèbre professeur de physique rencontré à la Foire Industrielle de Francfort. L’étudiant Einstein turbulent et contestataire au point de faire sauter le labo de chimie et cramer quelques instruments du professeur Weber ne trouva pas, diplôme obtenu de justesse en juillet 1900, de directeur de thèse pour devenir lui-même professeur. Il obtint la nationalité suisse le 21 février 1901 et sera réformé du service militaire pour pieds plats et varices ! Pendant 2 ans il va galérer en donnant des leçons de math et de physique à Zurich. Le 23 juin 1902, pistonné, encore, par le père de son ami Grossman, il intègre l’Office des brevets à Bern (capitale de l’horlogerie depuis que Calvin, protestant de strict observance, avait fait interdire le port et la fabrication des bijoux) où on lui confiera l’étude des brevets sur le synchronisme des horloges. Commenceront alors ses réflexions sur la relativité des mesures du temps - ou plutôt des temps – et la simultanéité des évènements et publiera, grâce à son ami Konrad Habsicht, alors collaborateur de Planck, en 1905 la relativité sur la notion LOCALE du temps. Ayant aussi inventé la notion quantum de lumière (qui deviendra bien plutard « photon ») Albert en candidat libre obtient en 2 tentatives sa thèse à Bern en 1908 où il prouve l’existence physique des atomes et devint donc professeur d’abord à Zurich, puis à Prague en 1911 et à Berlin en 1914. Ainsi en 2 temps il fera bondir les sciences de l’infiniment grand et de l’infiniment petit. La Relativité doit tout à la Suisse et la physique quantique aussi.

A Genève, ville francophone, nous verrons beaucoup de banques depuis que Louis XIV abolissant l’Edit de Nantes a fait fuir de France les protestants banquiers, réfugiés à Genève. A Genève, neutralité oblige, se trouvent beaucoup d’institutions internationales, dont le CERN que nous rejoindrons cette après-midi.

Cette organisation internationale résume à elle seule l’incroyable histoire de la physique du XX ième siècle et les perspectives des découvertes du XXI ième.

CERN veut dire : « Centre Européen de Recherches Nucléaires ». Il ne s’agit pas d’y étudier l’énergie nucléaire, mais de se concentrer sur l’étude du noyau des atomes, de ses particules et des forces qui les interagissent. Les atomes de l’atome, pour simplifier beaucoup, l’influence des champs pour être un peu plus précis et encore plus : fluctuations quantiques. Le coût de construction, en incluant les salaires, du LHC a été de 8,9 milliards d'euro, partagée entre le CERN (60 %) et 608 autres institutions distribuées dans 113 pays.

22 états membres européens participent à un budget de fonctionnement de plus d’un milliard d’euros par an, 2.400 personnes y travaillent à plein temps et 6.000 scientifiques de 104 nationalités, de 600 instituts de recherches y organisent leurs expériences. 18 prix Nobel de Physique ont été décernés à des chercheurs au CERN.

Depuis Galilée la physique est le domaine scientifique basée sur l’expérience, nous allons rencontrer des expérimentateurs sur le plus grand laboratoire du monde et la plus grande machine jamais construite par l’Humanité.

Pourquoi construire un tel gigantesque laboratoire pour d’infimes grains de matière de l’ordre de 10^-18 cm ? Et pourquoi cela peut-il intéresser des astronomes ? En 1927 le génial abbé Lemaître avait résolu l’équation géniale du génial Einstein, résumée par : Géométrie = Matière qui donnait, par un système d’ équations en tenseurs et en dérivées partielles, la courbure de l’espace-temps en fonction des masses environnantes, l' abbé, en appliquant des limites dues à des observations de Vesto Slipher sur les décalages spectraux, des charges, des pressions -paramètres qu’Einstein, non praticien, ne pouvait pas introduire-, l’abbé donc trouvant une solution à cette équation par une métrique (c’est à dire une fonction donnant la distance de 2 évènements dans l’espace-temps local) une métrique donc fonction du temps qu’il interpréta à juste titre comme l’expansion de l’Univers, fantastique intuition, vérifiée expérimentalement par l’astronome génial Hubble en 1929, donc 2 ans après. Eddington et Crommelin avaient déjà prouvé en 1919, lors d’une éclipse à Sobral au Brésil et à Principe en Guinée la courbure de l’espace (matérialisée par l’illusion optique qui déviait les rayons des étoiles de l’amas des Hyades) par la masse du Soleil masqué par la Lune, situation indispensable pour l’observation.

Le même génial abbé concluait en 1933 qu’avec la flèche en arrière du temps il devait y avoir au début mathématique du temps une sorte d’« atome primitif » que Fred Hoyle, adepte d’un Univers stationnaire, méprisera le 28 mars 1949 lors d’une émission à la BBC par l’expression, pour lui péjorative, de « Big Bang », expression qui ravit tous les ignorants de la chose et que l’on retiendra par facilité de langage sachant qu’un tel événement ne peut pas physiquement exister comme le répètent à longueur de conférences nos amis, Etienne Klein, Aurélien Barreau et Carlo Rovelli. Il faut dire qu’AVANT CE MOMENT, appelé « MUR de PLANCK » tout devient infini : température supérieure (10²⁸K), temps ( 10^-47s), masse, ce dont les physiciens ont en horreur car cela ne veut rien dire, la nature n’étant pas, elle, infinie, une température infinie voudrait aussi dire « agitation infinie ». Et « physique » vient du mot grec « phusiké » voulant dire « connaissance de la Nature » qui, elle, est aussi finie. Des petits malins contournèrent ces aberrations par l’astuce mathématique de renormalisation, c’est à dire mettre de côté tout ce qui est ponctuellement infini.

Le CERN a donc été construit pour étudier le comportement de l’Univers à ce début, si tant est qu’il y est eu un ou plusieurs débuts. Il intéresse ceux des Astronomes, des Physiciens, des Philosophes qui veulent comprendre comment l’UNIVERS existe (pourquoi y-a-t-il quelque chose plutôt que rien ? disait Leibniz dès le XVIII ième siècle).

En 1900 on ne savait rien de l’atome et beaucoup n’étaient pas convaincu de son existence, par exemple Max Planck ! mais aussi en France : ainsi le grand chimiste Berthelot, secrétaire de l’Académie des Sciences, refusait tout article parlant d’atomes. Ministre de l’Instruction Publique il interdisait que l’on en parlât dans les programmes. Honteux de cet épisode Claude Allègre, alors lui aussi ministre de l’Education Nationale en 1998, a voulu faire déboulonner la statue d’Auguste Comte, leader antiatome, de devant la Sorbonne. Il n’y parvint pas mais il réussit à la faire changer de sens, la statue tourne désormais le dos à l’université.

Désespéré lui aussi par l’imbécillité de ses collègues Ludvig Boltzman se suicide à Trieste, pas très loin de Padoue, en 1906 en demandant que sa formule logarithmique sur l’entropie soit inscrite sur sa tombe. Se faisant, il ignorait qu’un jeune de 26 ans nommé Einstein venait de démontrer que les grains de pollen du botaniste Brown ne pouvaient s’agiter que par l’action des atomes de l’eau où baignait le pollen. Jean Perrin (prix Nobel 1926) démontra en 1908 par l’expérience l’existence des atomes d’Einstein.

La préoccupation des chercheurs les dernières années du XIX ième siècle (1899) était l’explication des rayonnements que Becquerel appelait « hyperphosphorescences » en ayant découvert, selon les conseils de Poincaré, la fluorescence des sels d’uranium et l’impression en pleine nuit de plaques photographiques. Cela orientera la thèse puis les travaux de Marie Sklodowska Curie (en épousant Pierre Curie, son chef de labo, labo tout près de l’amphi d’AGROTECH des confs de la SAF) mesurera que la radioactivité du polonium sera 400 fois plus rayonnante que l’uranium puis le radium 900 fois plus ! Au vu de ces phénomènes Marie Curie inventera le mot « radioactivité » puis le mot « nucléaire ».

Le personnage clé de cette aventure, celui par qui tout a commencé, sera : Ernest Rutherford, néo-zélandais, champion de rugby avec les All Blacks, premier et unique boursier à quitter son pays vers l’Angleterre en raison de ses exploits en mathématiques (et prix Nobel de chimie 1908 sur la nature des particules alpha qu’il découvrit). Au Cavendish Laboratory, alors temple de la Physique, que nous avons visité en 2011 à Cambridge avec Joseph John Thompson lui aussi prix Nobel pour la découverte de l’électron (1897), il étudia l’effet ionisant sur les gaz des rayons que Röntgen baptisa X par manque d’inspiration. Rutherford imagina alors plusieurs expériences pour comprendre l’action sur la matière des rayonnements découverts par Marie Curie et par lui (rayons alpha et bêta). En 1911, en bombardant une feuille d’or avec des rayons alpha, il remarqua que certains rayons rebondissaient alors que d’autres traversaient la feuille. L’étudiant qui comptait les rebonds (quelle patience : 1/800) s’appelait Hans Geiger, le gars du compteur. Rutherford eut alors l’intuition qu’il y avait quelque chose à l’intérieur des atomes de la feuille qui faisait rebondir certaines particules d’or et en laissait passer d’autres. Ancien agriculteur néo-zélandais, par souvenir aux cerises que cultivait son père, il nomma « noyau » cet obstacle et il calcula qu’il concentrait presque toute la masse et toute la charge positive de l’atome électriquement neutre, les électrons situés à l’extérieur déterminant de fait la taille de cet atome. Le noyau d’atome d’H est 25.000 fois plus petit que l’atome lui-même. Marie Curie nommera « nucléaire » de « nucleus, noyau » les expériences sur les noyaux des atomes.

Que la matière est vide puisque la plupart des particules passent à travers sans interaction, ce qui signifie qu’elle est concentrée dans des petits volumes.

8 ans plus tard, Rutherford, dont la spécialité était le bombardement des atomes, découvre que les éléments du noyau de l’atome d’hydrogène se trouve aussi dans d’autres atomes. Il remarque que lorsque des particules alpha sont envoyées dans un gaz d'azote, ses détecteurs de scintillation indiquent la signature de noyaux d'hydrogène. Il détermine ensuite que cet hydrogène ne peut provenir que de l'azote. Ce noyau d'hydrogène est donc présent à l'intérieur d'un autre noyau. Rutherford baptise la particule correspondante du nom de proton, d'après le mot grec pour « premier », πρῶτον. Il faut noter que presque tout le vocabulaire scientifique vient, depuis le XVIII^ème siècle du grec, juste reconnaissance pour la créativité scientifique et philosophique grecque car il n’existait pas de scientifiques romains aussi le latin ira enrichir surtout le vocabulaire juridique, militaire et administratif, grandes spécialités des Romains.

Rutherford, désormais considéré comme père de la physique nucléaire, était devenu célèbre à Manchester et un jeune étudiant danois, Niels Bohr prix Nobel 1922, obtint une bourse pour étudier à Cambridge avec Thomson. Ne supportant pas le caractère irascible de Thomson, Bohr part à Manchester où il trouve un autre étudiant : Robert Oppenheimer. Bohr réfute immédiatement le schéma, style système solaire, de l’atome de Rutherford qui, selon les équations de Maxwell, ne peut pas être stable (un électron est accéléré en tournant autour du noyau et devrait produire une onde électromagnétique comme toute charge accélérée donc perdre de l'énergie en tombant sur le noyau, ce qui n’est pas ce que l’on observe). Adepte des sauts quantiques, il propose que les électrons soient sur des niveaux d’énergie comme les étages d’une tour lorsque ceux- ci change de niveau à l’occasion d’une collision extérieure, ayant aussi découvert le quantum d'énergie de la lumière qui sera nommé photon du grec « photos : lumière » par le physicien Gilbert Lewis en 1926. C’est la manifestation du discret et du continu. Jusqu’alors la physique utilisait des valeurs continues provenant de fonctions continues où, à partir d’une position, on en déduisait la suivante par récurrence ou continuité. Là les phénomènes procédaient par saut imprévisible un peu comme des pop corns. Ce sera la grande querelle des anciens et des modernes, illustrée au Congrès Solvay d’octobre 1927 à Bruxelles par la confrontation d’idées Bohr-Einstein (Dieu ne joue pas aux dés), avec la réplique de Bohr : « Cessez Einstein de dire à Dieu ce qu’il doit faire ». Bohr était croyant, tout comme Rutherford. A ce même Congrès l’abbé Lemaître, qui vient de recevoir son 2 ième doctorat au MIT d’Harvard avec Harlow Shalpey, rencontre Einstein qui lui dit « vos mathématiques sont justes, mais votre physique est abominable ». C’est la séparation des physiques : la mécanique relativiste est déterministe, la mécanique quantique est probabiliste.

Heisenberg, prix Nobel 1932, jeune mathématicien contrarié, veut travailler avec Bohr de retour à Copenhague, en appliquant la théorie des matrices sur les paramètres des particules incontrôlables, celles-ci remplissant tout l’espace, en introduisant des probabilités de présence et en évacuant les représentations par point de la mécanique classique. A la suite d’une retraite studieuse en 1927 sur les falaises de l’île d’Héligoland en Mer du Nord (il était gravement allergique au pollen et l’air sur l’île était pur) il déduit que les

particules sont et seront invisibles car apparentées à des objets mathématiques.

Les expérimentateurs les devineront par leur trace, leur masse, leur charge auquel Pauli rajoutera le spin, étrange degré de liberté. Heisenberg énonce alors son « Principe d’Incertitude » par une formule disant qu’il y a incertitude sur la position, la vitesse, l’énergie des particules. Il introduit, en même temps que son adversaire Schrödinger, la notion que le comportement d'un électron dans un atome est décrit par une orbitale qui est une distribution de probabilité de présence plutôt qu’une orbite.

Pauli, l’inventeur du neutrino pour expliquer la conservation de l’énergie dans la radioactivité béta, prix Nobel 1945, redéfinit en 1924 le spin d’une particule, notion compliquée qui permit d'expliquer la structure hyperfine des spectres atomiques (l’effet Zeeman). Le mot spin (rotation en anglais) est tout aussi impropre que « trou noir » car on a cru un moment que l’électron tournait sur lui-même comme la Terre. Pour simplifier cette notion complexe, disons qu’il s’agit d’un degré de liberté supplémentaire détectable. Pauli énonce alors le « Principe d’exclusion » : les électrons ne peuvent pas se trouver dans le même état quantique (car l'état quantique contient toutes les informations sur l'électron et également sa position de façon statistique. En mécanique quantique, il n'est pas possible de supposer que les grandeurs physiques telles que la position ou la vitesse aient une valeur définie que l'on puisse mesurer sans perturber le système. L'état du système est uniquement parfaitement défini par son état quantique.

De ces découvertes fondamentales plusieurs problèmes surgissent : comment décrire par des champs des mouvements incontrôlables par coordonnées, comment décrire des particules issues de ces champs, en conservant l’énergie, l’impulsion, la charge, le moment. La physique mathématique va prendre le relai.

Arrivent alors les clés de toutes les futures recherches du neutron, du neutrino, du muon, du boson de Higgs : « la théorie quantique des champs » QFT et le fameux théorème d’Emmy Noether sur l’invariance de jauge : les symétries sont équivalentes à la loi de conservation. Il fallait donc un outil capable de décrire un champ dont les caractéristiques étaient totalement libres dans toutes les directions à la fois.

Pour cela il faut recourir à des notions mathématiques difficiles comme les lagrangiens, les diagonalisations de matrices. Ainsi les photons ne sont plus considérés comme des « petites boules de billard » : ils sont considérés comme des champs quantiques dont les « excitations » ou les « oscillations » 'ressemblent' à des particules.

Tous les électrons de l’Univers sont donc identiques dans tout l’Univers car issus d’un même champ : le champ électron.

La notion de champ fut trouvée par Faraday qui tentait de visualiser la fluctuation de perturbation ambiante telles que l’induction autour d’un courant que venait de découvrir Oersted : regardant par sa fenêtre les mouvements d’un CHAMP de houblons par le vent il appela la chose « field, champ ». Etres d’abord mathématiques : il existera des champs scalaires et des champs vectoriels : tout le monde est familier avec ces notions en regardant les cartes météo à la télé : scalaires pour la représentation ponctuelle des températures, vectorielles par les représentations des directions et de la force des vents des perturbations.

Les particules sont considérées comme des états excités d'un champ (dit champ quantique), propriété qui sera démontrée plus tard en 1937 par Winger, autre Prix Nobel.

Erwin Schrödinger, prix Nobel 1933, publie une équation d'évolution de la fonction d'onde associée à l'état d'une particule.

Paul Dirac, prix Nobel avec Schrödinger, formula une théorie quantique enfin mathématiquement cohérente en réconciliant les idées de Schrödinger et Heisenberg. Son équation traduira le comportement de particules comme l’électron à partir de l’équation de Schrödinger et de la relativité. En 1928, il déduit du travail de Pauli sur un système de spins une équation relativiste décrivant l'électron. Cela permet à Dirac de prédire en 1931 l'existence d'une particule appelée positron, l'antiparticule de l'électron.

Étudiant lui aussi les expériences de Marie Curie, lors d'une expérience en 1932, Chadwick, qui bombardait du béryllium avec des particules α, remarqua une radiation inconnue qui éjecte des protons du noyau. Chadwick en conclut que ces radiations étaient composées de particules de masse approximativement égale au proton mais sans charge électrique, les neutrons. Prix Nobel 1935.

En conséquence de ces avancées théoriques les premiers expérimentateurs construisent les détecteurs des particules sorties des équations. Dès 1912 Charles Wilson (prix Nobel 1927) avait imaginé la chambre à bulles qui permit à Anderson en 1932 de découvrir le positron (l’anti électron) en étudiant les photons des rayons cosmiques. Prix Nobel 1936.

En Angleterre, Cockcroft et Walton toujours en 1932, réalisèrent la première désintégration réussie du noyau par des particules électriquement accélérées. Ils utilisèrent un multiplicateur de tension à l'aide d'un montage compliqué en forme de colonne de redresseurs et de condensateurs qui trône aujourd’hui à l’entrée du Musée des Sciences de Londres. Prix Nobel 1951. A la fac de Jussieu, en sous-sol se trouve un générateur Van de Graff au début d’un tout petit accélérateur qui, entre deux passages du métro, bombarde des cibles que nous photographions en octobre à chaque « Fête de la Science ». Ce fut il y a 15 ans le bizutage VEGA !

En visitant le synchrotron d’Orsay en décembre nous avions compris que les photons, donc la lumière visible, nous permet de voir avec nos yeux les objets qui nous entourent : dans une pièce obscure l’absence de lumière fait que nous ne voyons rien. Mais dès qu’une lumière, solaire ou artificielle revient les photons heurtent la matière et notre œil devient un détecteur de la longueur d’onde que cette matière n’a pas absorbée. Nous portons nous même le principe de détection.

En 1931 les Américains arrivent enfin sur le terrain de la nouvelle physique : Orlando Lawrence invente le cyclotron à Berkeley pour fracasser des particules en frontal grâce à une très forte tension électrique afin d’en analyser les morceaux. Le principe du LHC est né. Lawrence aura le prix Nobel en 1939. L'énergie des particules ainsi accélérées se mesure en électron-volts (eV). L’électron volt, dont on se sert pour annoncer la puissance d’un accélérateur (14 TeV, eV puissance 12, mille milliards, pour le LHC) est l’énergie d’un électron entre une différence de potentiel de 1 volt.

Les découvertes vont s’accélérer par l’étude des impacts des rayonnements nucléaires. La désintégration beta (provoquée par l’émission d’un électron ou d’un positron) verra Pauli imaginé le neutrino (l’énergie manquante est emportée par une particule), Fermi en 1934 trouve que la désintégration beta vient de l’échange d’une particule entre le proton et le neutron (ce sera bien plus tard le boson W de la force électro faible). Prix Nobel 1938.

S’en suivirent alors de multiples recherches sur la naissance de la matière avec pour merveilleux outils les belles équations de la physique quantique et des nouveaux génies : Fermi, Feymann, Murray Gell Mann, tous brillants nobélisés, auxquels il faudrait rajouter Gamov qui, avec Hans Bethe énonça l’histoire thermique de l’Univers ainsi qu’Alan Guth et Andrei Linde inventeurs de l’inflation cosmique, en partie vérifiée par le satellite PLANCK en 2013.

Les particules ainsi cassées donnant des morceaux devaient être identifiés ou découverts par des détecteurs, des chambres à brouillards de Wilson (prix Nobel 1927) ou détecteurs à fils de Charpak le Alain Delon de la physique, nobélisé en 1992.

Hideki Yukawa, professeur à l’université d’Osaka au Japon prévoit une théorie des forces nucléaires fortes avec une particule intermédiaire, le méson, de masse intermédiaire entre celle du proton et de l’électron qui sera découverte en 1947 par Carl Powel dans les rayons cosmiques. Prix Nobel 1949.

Richard Feynman apporta en 1942 un corpus décisif à toutes les recherches sur la physique des particules. il reformula entièrement la mécanique quantique à l'aide de son intégrale de chemin qui généralise le principe de moindre action de la mécanique classique et inventa les diagrammes qui portent son nom et qui traduisent par des graphes les désintégrations de particules. Feynman invente aussi la chromodynamique des champs (QCD) pour décrire la force d’interaction forte et pour comprendre la structure des hadrons (protons, neutrons).

Feynman avait pour voisin de bureau au Caltec à Los Angeles le très sérieux Murray Gell Mann autre génie, seul survivant de cette aventure (88 ans), à qui il faisait peur en criant dans les couloirs et en jouant du djembé dans son bureau souvent rempli de filles qui n’étaient pas toujours ses élèves. La profusion des particules découvertes dans des accélérateurs toujours plus puissants donnait une impression de domaine à la dérive et immaîtrisable.

Le physicien Isidore Rabi, prix Nobel 1944, spécialiste des forces dans les noyaux dit même un jour : « Who ordered that ? Mais qui a créé ça ? » Murray eut alors l’idée de classifier les particules en fonction de leurs caractéristiques en utilisant la théorie mathématique des ensembles énoncée par Galois en 1832 et améliorée par le norvégien Sophus Lie. Murray établit en 1961 une classification des nouvelles particules découvertes en utilisant les propriétés de symétrie d'ordre trois du groupe SU(3) car

Mathématiquement S vient de « spécial » et U vient de « unitaire », afin de rappeler les transformations en rotation du mouvement des particules qui répondent à des groupes non abéliens (non commutatifs). Ainsi naquit les fermions, particules de matière de spin demi entier qui se repoussent et les bosons à spin entier qui s’agglomèrent. Dans la classification, certaines places pour de nouvelles particules étaient encore libres (elles seront comblées par l’expérience). La découverte en 1963 par un groupe de chercheurs de Brookhaven de la particule Ω^-, prévue dans cette classification, confirma le classement de Gell-Mann.

La théorie du groupe de symétrie SU(3) permit à Gell-Mann de proposer l'existence de nouvelles particules, appelé quarks, particules constituant les neutrons, les protons et toutes les particules massives appelées hadrons (le H de LHC). Avec la théorie de Fynman les différents quarks prirent les couleurs rouge, bleue, verte.

Modèle Standard qui est, au sens strict, une théorie quantique des champs.

Les quarks sont les composants aujourd’hui ultimes des nucléons (protons, neutrons). L'existence des quarks sera mise en évidence en 1969 par James Bjorken et Richard Feynman à l’accélérateur de Chicago.

En 1954 les physiciens Yang et Mills imaginent une force initiale unique débouchant vers une théorie de jauge (c’est à dire de mesure et de localisation par des champs) pour obtenir une description cohérente de la force nucléaire responsable de la cohésion des protons-neutrons dans le noyau. Ils appliquent le théorème de Emmy Noether. Ce théorème énonce des symétries dans l’espace qui préservent les lois de conservation (énergie, impulsion, moment) ainsi que la charge nécessaire pour l’interaction de l’interaction électromagnétique.

1 Toutes les particules de matière (les fermions) ou d’interactions (les bosons) sont des quanta d’excitation de champs. Ces champs sont présents dans tout l’Univers et peuvent osciller et interagir entre eux.

2 Universalité des particules : les électrons sont exactement identiques dans tout l’Univers car tous quanta (oscillation minimale) d’un seul et même champ F. Wilzeck, Nobel 2004.

Le Modèle Standard, en 1963, a donc 4 forces dont la gravité, mais cela semble un SYSTEME PHYSIQUE BOITEUX. Certains chercheurs pensèrent alors que ces 4 forces devaient être réunies en une seule force au début du BB. En 1963 Sheldon Glashow propose que la force nucléaire faible et la force électromagnétique peuvent être réunies en une seule force dont les bosons seraient W + et W - et Z de masse très élevée. Le problème principal de la théorie électrofaible de Glashow est que les particules qu'elle décrit sont sans masse, ce qui est en désaccord avec la réalité.

Le hic est qu’il faut aussi réunir le boson photon de masse nulle de l’électromagnétisme avec les bosons W et Z de masse élevée. C’est impossible à cause du photon donc les forces sont inunifiables. De plus avant la séparation des forces à 10 puiss-10 l’Univers est symétrique parce que les masses sont nulles.

Il s’agit de masse inertielle (celle qui résiste à l’accélération). Comment donner des masses sans briser la symétrie ? La « brisure de symétrie » veut dire « changement de nature » (comme l’eau devenant vapeur ou glace). Les premiers à y penser sont Anderson, Nambu et Schinger. L’écossais Peter Higgs, chercheur à Edimbourg va alors proposer une solution, ainsi que les Belges Brout et Englert de l’Université Libre de Bruxelles. Dans les instants très proche du BB l’Univers était très chaud, composé d’un plasma de gluons (étudié par le détecteur ALICE) et d’une seule force :

Higgs annonce en août 1964 un mécanisme qui permet d’avoir des forces totalement unifiées à haute température, mais dissociées à basse température (la clé est là)

Cette dissociation se manifestant notamment par le fait que les bosons W et Z doivent acquérir une masse à basse température. Higgs est le seul à décrire le boson qui portera son nom.

Pour que les bosons W et Z acquièrent de la masse, on va imaginer les mettre dans un champ analogue à une mélasse ou un espace visqueux. La masse, c’est quelque chose qui s’oppose au changement dans le mouvement, une accélération, et pour donner une illusion de masse à une particule, on peut la faire interagir avec ce champ, qui va jouer un rôle analogue à de la mélasse. En langage de physicien c’est une fluctuation de l’énergie du vide. Dans l’Univers le vide n’est pas totalement vide car il y a toujours des particules résiduelles en mouvement non détectables. Par ailleurs l’état fondamental d’un champ est son état de plus faible énergie. Toute la difficulté, c’est faire en sorte que le champ recherché crée bien une mélasse à basse température, mais pas à haute température. Or la mélasse n’est pas l’état naturel d’un champ. Exemple le champ électromagnétique : si on ne fait rien pour le stimuler ou le créer, il sera nul et ne freinera pas. On dit que l’état fondamental du champ électromagnétique est zéro. Mais avec le champ de Higgs, pour avoir de la mélasse sans rien faire, il nous faut aussi un champ dont l’état fondamental soit non nul. Enfin seulement à basse température, car on ne veut plus de mélasse à haute température.

Représenté par un chapeau mexicain où les particules du début vont glisser de haut en bas selon la température.

En introduisant le champ de Higgs avec la bonne forme de l’énergie à haute et basse température, on crée la mélasse qui va freiner les bosons W et Z, et donc les agglomérer et donc leur donner de la masse par condensation. En prime il donnera de la masse aux autres particules sauf pour le photon qui ne sera pas couplé avec le champ.

A cette cohorte de savants il faut ajouter des astro mathématiciens tel que John Ellis dont nous verrons une fois encore le bureau jonché de papiers et son tableau couvert de Lagrangiens, êtres mathématiques du marquis de Lagrange depuis 1788, résumant le fameux « Modèle Standard », expression banale mais lourde de sens. Le même Lagrangien ornant les T shirt noirs que vous achèterez à la boutique du CERN et porterez sur les plages cet été, effet garanti que j’ai pu vérifier. Formule lagrangienne presque magique dont le polynôme de dérivées partielles résume (ce n’est qu’un résumé) en 4 lignes les différents mouvements des groupes de particules en fermions, bosons et champs de Higgs. Devant la multitude de particules découvertes dans le plus grand désordre on parlait dans les années 1950 de zoo de particules. L’abbé Lemaitre, à qui on demandait pourquoi il se désintéressait de la physique des particules, il répondait que ce zoo lui rappelait la botanique et qu’il se concentrait sur l’étude des rayonnements fossiles traces des débuts de l’Univers que découvriront par hasard en 1965 Penzias et Wilson. Murray Genn-Mann, le génial inventeur des quarks, appliqua la théorie mathématique des groupes, puis de l’algèbre de Lie pour classifier le zoo des particules en fermions et bosons selon leurs caractéristiques (spin, masse, charge) et leurs degrés de liberté, classification qui en suggérait d’autres comme le fameux boson de Peter Higgs, qu’imagina aussi Robert Brout, François Englert, Gerald Guralnik, Carl Hagen et Tom Kibble. Le nom de Higgs fut retenu pour le marketing des découvertes futures.

Pourquoi alors chercher avec autant de moyens, d’énergie et de mobilisation de savants l’existences de particules qui gouvernent encore notre Univers depuis 13,8 milliards d’années ? Peut être pour répondre, 350 ans plutard à la question de Leibniz regardant le ciel étoilé : « Pourquoi y-a-t-il quelque chose plutôt que rien ?». Le 21 juin 2017, au solstice d’été, nous célébrions, à 13 H 53, les 350 ans de l’Observatoire de Paris et de l’Académie des Sciences, avec Madame Françoise Combes et quelques autres académiciens modernes, parmi lesquels l’académicien berlinois Eberhard Knobloch qui, étant moi aussi fan de Leibniz, me dit avoir découvert la fameuse interrogation sur un manuscrit en latin toujours conservé à l’Observatoire de Paris.

Et comment ne pas penser que toutes les particules découvertes en 50 ans permirent les fantastiques découvertes de l’électronique moderne qui transformèrent avec télé, mémoires, ordinateurs, téléphones portables, GPS et internet, notre vie quotidienne.

L’organisation CERN permit dès 1954 la construction et l’hébergement de tous les équipements nécessaires et favorisa les rencontres des savants modernes dont l’aboutissement fut le LHC et la preuve d’existence du boson de Higgs, symbole actuel de l’aboutissement des recherches les plus poussées.

De nombreux Français y expérimentent toujours ou conçoivent de nouveaux équipements comme nos amis Bruno Mansoulié du CEA, un des concepteurs du détecteurs ATLAS et Yves Sirois, chercheur Canadien, travaillant à l’Ecole Polytechnique, au laboratoire Louis Leprince Ringuet, dont l’équipe au CMS a vu la première la courbe d’énergie du boson de Higgs le 14 juin 2012 à 19 H. Fameuse particule qui venait clore un cycle de recherches prouvant expérimentalement la validité du « Modèle Standard », c’est à dire la représentation infiniment petite de la matière sur Terre et dans l’Univers. La démarche scientifique consiste souvent à imaginer une théorie par sa représentation idéale, selon les connaissances du moment, symbolisée dans un « Modèle ». Le modèle en question est résumé par le fameux Lagrangien et dit « Standard » parce que adopté par la communauté scientifique. Ensuite, le modèle étant approuvé, il reste à inventer tout un protocole d’expériences venant confirmer ou infirmer leur existence effective. L’objectif du CERN est donc la recherche expérimentale de la constitution ultime de la matière au moyen d’un accélérateur de particules de 27 km de circonférence situé de part et d’autre de la frontière Franco-Suisse en banlieue de Genève. Sur les 200 hectares d’espace clôturés du CERN, 120 hectares se trouvent en France dont le détecteur CMS. Le creusement à 100 m de moyenne sous terre (en fait 175 m côté Léman et 45 m côté Jura) pour éviter de très couteuses expropriations en surface, de protection des tubes magnétiques et d’écran contre les rayons cosmiques.

Le LHC est un accélérateur de particules qui accélère des protons d’hydrogène ou des ions de plomb à une vitesse proche de celle de la lumière afin d’atteindre des énergies considérables proches de celles du Big Bang. Il consiste en un anneau de 27 kilomètres de circonférence composé d’aimants supraconducteurs et équipé de structures accélératrices qui augmentent l’énergie des particules qui y circulent en les focalisant et les courbant dans une trajectoire circulaire, comme au synchrotron d’Orsay.

« L » veut dire très grand car il s’agit du plus grand accélérateur du monde.

« Collisionneur » parce qu’il permet à deux faisceaux de particules se déplaçant en sens opposé d’entrer en collision par croisement en quatre points de la machine qui sont des détecteurs dont le CMS que allons visiter.

« Hadrons » parce qu’il accélère des protons ou des ions, qui appartiennent à la famille de particules appelées hadrons, c’est-à-dire lourdes.

Le « H » de LHC veut dire Hadrons : les hadrons sont des constituants lourds ((hadron vient du grec hadron qui veut dire « lourd » -crée en 1960 - par opposition à « lepton » qui veut dire « léger »), terme crée en 1962, constituants donc du noyau des atomes : les nucléons, eux-mêmes composés de protons positifs et de neutrons électriquement neutres, l’équilibre électrique étant constitué par les électrons négatifs par nature. Ces protons contiennent eux-mêmes des constituants appelés « particules » (du latin « particula », petite parcelle). Celles-ci sont extrêmement petites (ces valeurs vertigineusement incompréhensibles pour les humains résultent de calculs puis de mesures) : la taille d’un atome est 10^-10m soit un dixième de millionième de millimètre. Un noyau d’atome est de 10^-15m soit 100 mille fois plus petit qu’un atome. Si un atome faisait 100 m de diamètre, son noyau aurait la taille d’un petit pois. Un proton, matériau de base du LHC, est une particule stable (sa désintégration prendrait 2,1 x 10²⁹ans). Pour examiner son contenu il faut donc le casser. Collisionneur veut dire que l’on va provoquer un choc entre plusieurs protons pour les casser afin d’analyser les débris de la collision. Ces débris permettront aux physiciens de comprendre la composition ultime de la matière originelle, c’est-à-dire de la première matière des débuts de l’Univers et d’en déduire ensuite son organisation et son évolution, donc sa généalogie. Pour provoquer les collisions il va falloir lancer à une vitesse proche de celle de la lumière des faisceaux de protons et les faire se croiser : il faudra donc l’accélérer un maximum dans un accélérateur et cette accélération se fera par des champs magnétiques produites par des électroaimants ultra conducteurs refroidis à l’hélium à -271 °C. Voilà pour le principe du LHC qui a permit la preuve de l’existence du boson de Higgs en 2012, preuve qui a consolidé notre connaissance de la composition de la matière.

Mise en évidence de nouveaux types de particules ou de phénomènes inconnus, notamment en Super Symétrie.

Avec des ions de plomb en collision : création de très hautes énergies afin de comprendre la première matière juste après le Big Bang.

La première fois, lors de notre visite en 2010, Michel SPIRO, l’ex président du CERN, nous avez accueilli dans le grand amphi où fut annoncée par Fabiola Gianotti, aujourd’hui directrice générale du CERN, le 4 juillet 2012 la découverte du boson de HIGGS en commençant :

« Ici nous cherchons : d’où venons-nous, où allons nous ? et Woody Allen avait alors ajouté : et qu’allons-nous manger à midi ? nous ramenant ainsi à des considérations plus terre à terre, d’autant que le restaurant-cafétéria - où nous déjeunerons - rassemble la jeunesse scientifique du monde avec des plats de leurs pays dans une ambiance d’étudiants.

Ainsi donc nous allons vers un endroit extraordinaire, parfait pour des astronomes : un site vraiment universel, sans doute le premier du genre, le CERN, espace scientifique sans notion de frontières, donc accessible à tous les Terriens sans aucune distinction, où tout est accessible à tous, un endroit doté d’une immense machine, la plus complexe jamais construite par l’Humanité, mobilisant les meilleurs ingénieurs du monde, rassemblant les théoriciens les plus avancés, imaginée en 1949, réalisé en 1954 , initiée surtout par des Français avec à leur tête Louis de Broglie, (prix Nobel 1929 à 37 ans pour la nature ondulatoire de l’électron) dans une vision de paix universelle juste après une effroyable guerre, mise à la disposition gratuitement des scientifiques désireux de comprendre la généalogie de la matière du commencement de l’Univers et de recherches fondamentales sur la physique des particules. Un modèle de société globale et participative, sans chefs, sans organigramme, sans copyrights, avec pour seule discipline l’expérience concrétisée par les collaborations, la recherche de l’inconnu et la vérification des théories en cours. Ce n’est pas un hasard si le concept du web, le mot même « WEB », le langage du monde : HTML, le protocole HTTP, c’est-à-dire : partage des télécommunications gratuitement et l’invention de la notion de téléchargements que nous utilisons tous les jours aient été inventés là-bas, développés et mis à disposition gratuitement. HTML, HTTP et WEB afin de démultiplier mondialement les ressources de calculs informatiques sont l’œuvre en 1989 (le 12 mars 1989, date de naissance d’internet) du Britannique Tim Bernes Lee, le concept de téléchargement est l’idée géniale de son voisin de bureau au CERN le Belge en 1992 Robert Cailliau. Il y a seulement 25 ans ! Devant l’entrée principale du CERN se trouve une grande sphère en bois contenant un musée des particules avec le premier serveur internet, le papier de Higgs en 1964 et un détecteur bipeur des muons traversant votre corps. Allez en pèlerinage voir le premier écran internet.

Votre première impression sera la complexité devant des équipements immenses, servant des théories difficiles. Le LHC est le summum de la physique de la matière, la science des expériences (4.000 chercheurs font des expériences).

Dans cet endroit indéfinissable selon nos critères habituels, hyper accueillant dans le style ouvert des chercheurs demain nous visiterons donc le CERN selon 3 grands thèmes :

D’abord nous verrons, à 100 m sous terre, un solénoïde (CMS Solénoïde Compact pour muons). Muons parce que le boson de HIGGS peut se désintégrer en 4 muons. CMS le plus grand solénoïde du monde, de l’Univers peut être : 12.500 tonnes, dont 800 tonnes d’un calorimètre fondu dans des douilles de munitions russes de la dernière guerre, 6 m de diamètre, 13 mètres de long. Le mot solénoïde vient du grec, encore, « solen », tuyau, et « eidos », en forme de, inventé par Ampère en 1829, utilisé par le génial Faraday dans sa découverte de l’induction magnétique. Nous vient alors à l’esprit tout un vocabulaire de nos lycées : des nombres de spires au calcul de champ magnétique. Excellente transition pour dire notre plaisir d’accueillir dans notre car plusieurs professeurs de physique.

Le modèle standard ne prévoit pas la masse exacte (seulement sa gamme de masse-énergie (selon la première équation d’Einstein, magistralement utilisée ici) entre 115 GeV et 140 GeV) du boson de Higgs, seulement ses propriétés de désintégration.

Le boson de Higgs, se désintègre en 2 W et 2 gammas ou un quark top et 2 gammas ou 4 muons, etc…

Au LHC on va sélectionner à forte énergie 2 gammas ou 2 ZZ donnant 2 électronset 2 muons.

Après les collisions il faudra retrouver des signaux ayant ces désintégrations avec des trajectographes et des calorimètres, disposés en pelure d’oignons et reliés à des myriades d’ordinateurs dont les logiciels devront éliminer toutes les dizaines de milliers de signaux parasites, prétraiter sur place au CERN les signaux acceptables et envoyer sur le net les possibles signaux en WW et gammas ou en ZZ et électrons ou en 4 muons. Après un filtrage par des logiciels locaux les signaux sélectionnés sont renvoyés au CERN pour une sélection finale exploitable. Ce système, ayant donné naissance à internet est appelé GRID, la grille mondiale de calcul comprend des milliers d’ordinateurs de 170 centres de calculs répartis en 41 pays. Ces centres servent aussi à l’archivage des mesures qui peuvent toujours reservir selon les expériences et découvertes à venir. Suprême exemple d’internet !

On va donc éclater par collision frontale 2 paquets de protons lancés à presque la vitesse de la lumière sous ultra vide à travers deux tubes parallèles de 1m en diamètre, comprenant 2 tubes parallèles de circulation inversée qui se croiseront dans différents détecteurs. On applique les 2 principes :

un champ électrique accélère une particule chargée, un champ magnétique courbe sa trajectoire.

Les protons tourneront donc en sens inverse dans un anneau gigantesque de 27 km de long à 100 m sous terre afin de protéger l’expérience des perturbations extérieures. La collision s’effectuera dans la chambre centrale d’un détecteur où la température de collision sera 100.000 fois supérieure à celle régnant au centre du Soleil. Ce détecteur sera constitué d’une structure cylindrique à pelure d’oignon. Chaque pelure sera dédiée à la détection d’une particule particulière lorsque celle- ci la traversera à chaque collision. Cette pelure émettra alors un signal qui sera stocké dans un ordinateur relié à la pelure concernée. Les types de pelure sont : trajectographe, calorimètre magnétique, calorimètre hadronique, aimants supraconducteur, chambres à muons. Les éléments les plus spectaculaires sont les chambres à muons. Chaque pelure est reliée à un ordinateur qui analysera les caractéristiques de la particule (énergie, position, type). Le logiciel contient 5 millions de lignes de code, 20 ans de développement.

En fait on va donc construire 2 grands détecteurs de collision de technologie fondamentalement différente afin d’être sûr que le boson ne soit pas fabriqué par un détecteur unique. Les différences de technologie porteront sur la production du champ magnétique nécessaire pour piéger les muons. Pour CMS (Solénoïde Compact à Muons) le champ sera celui d’un solénoïde géant, pour ATLAS le champ sera toroïdal. Il y aura sur l’anneau 2 autres détecteurs : ALICE (collision d’ion de plomb pour étudier le plasma et les gluons du BB) et LHCb pour l’étude de l’antimatière, tous deux de conception française.

ATLAS, (A Toroidal LHC ApparatuS) de conception française, par exemple, regroupe plusieurs types de détecteurs rassemblés dans un cylindre de 40 m de haut, 55 m de long (la nef de la cathédrale ND de Paris à 100 m sous terre, pesant 7.000 tonnes : c'est un assemblage de plus de 100 millions d'éléments de détection, qui fourniront chacun 40 millions de mesures par seconde. Près de 2 000 physiciens et ingénieurs travaillent depuis dix ans sur ATLAS, dont le coût est de 350 millions d'euros. Le coût total du LHC, lui, est d'environ 3 milliards d'euros. Budget de fonctionnement 1 milliard € réparti sur les Etats membres.

Le grand atout du LHC : la puissance de la grille de calcul (les Américains ont échoué par manque de puissance de calcul). Il est curieux de constater que les Européens ont inventé internet (avec une structure télécom répartie américaine militaire -ARPANET-) et que des sociétés américaines en ont tiré la quintessence dite pudiquement « Réseaux Sociaux ». Il y a 25.000 PC au LHC reliés par internet à 12 gros centres de calcul dont le plus gros est en France à Lyon (labo : IN2P3). Il est impossible de sélectionner un seul proton (en fait : on injecte en blocs 2808 paquets synchronisés de 100 milliards de particules). Le CERN au cours de son histoire a construit plusieurs accélérateurs avant le LHC et ceux- ci sont mis à contribution pour monter en accélération en se passant les paquets d’accélération en accélération. Car l’expérience de collision de protons est aléatoire, donc non reproductible, donc on va travailler par statistique et le résultat final sera une courbe de probabilité de présence voisine de 1 à 5 sigmas, c’est à dire 99,99999%. Aujourd’hui on dépasse 7 sigmas (99,9.999.999%). Il faudra donc un très grand nombre de collisions et sachant qu’isoler un seul proton est impossible on va travailler par essaim et il faudra trier les bonnes collisions et éliminer sur place les mauvaises (le LHC est une gigantesque poubelle informatique). En 2 micro secondes il faut éliminer 99,9% des évènements. C’est à dire enregistrer 1 événement et en rejeter 10 millions. Isoler le bon signal est donc le plus difficile, la sensibilité des détecteurs et du logiciel est le rapport signal/bruit de fond (le quark top est un vrai parasite). Le bruit de fond ce sont les évènements similaires à ce que l’on cherche.

On ne peut mesurer les particules que par leurs produits de désintégration. La durée de vie du boson de Higgs est de 10^-22 s, celles des bosons W ou Z sont de 10^-25s. La masse recherchée sera donc la somme des masses des produits désintégrés. D’où la grande difficulté à trier en morceaux les bons produits et de les publiés avec l’équation d’Einstein E = Mc². Les détecteurs ATLAS et CMS ont chacun 150 millions de capteurs enregistrant 40 millions mesures par seconde. Filtrées par logiciels il restera 100 collisions analysables. Après les bons évènements sont transmis aux analystes dans différents labos.

La grande difficulté, et donc l’originalité, sera d’atteindre une énergie gigantesque voisine de celle du Big Bang. Pour cela on va accélérer dans le grand anneau 2 faisceaux de protons hadrons tournant chacun en sens inverse de l’autre dans 2 petits tubes parallèles et voisins jusqu’à que l’on provoque une collision par croisement dans une chambre de détection. Toute la difficulté vient de l’atteinte d’une vitesse très proche de celle de la lumière (300.000 km/s).

Pour atteindre la vitesse de la lumière : les protons provenant d’une bouteille rouge d’hydrogène passent à travers 4 grosses enceintes argentées qui délivrent 500.000 volts pour accélérer les protons (d’où le nom d’accélérateur) à chaque passage dans le grand anneau. L’avantage d’un anneau est le passage cyclique à l’accélération électrique : pour un accélérateur linéaire (technique américaine) il faut des accélérateurs tout le long du parcours. L’anneau n’est pas un cercle mais 8 arcs octants avec des circuits d’injection à chaque départ d’octants. C’est analogue au périphérique parisien : les véhicules circulent en sens inverse et en 4 point on croise la circulation provoquant des collisions. La grande difficulté est la focalisation (la collimation) des faisceaux car si un faisceau dévie : des protons arracheraient des particules aux parois. Bien collimatés les faisceaux produisent davantage de collisions car il faut un maximum de collision pour avoir la chance d’en trouver une d’analysable (des centaines de chercheurs à travers le monde par internet vont interpréter les analyses). C’est la mise en lumière concentrée par des aimants quadripôles. Il y a 9.600 aimants disposés sur l’anneau. 392 aimants quadripôles vont concentrer les faisceaux. Les aimants sont fabriqués sur place, transportés et descendus par des cavités spéciales avec des grues spéciales. Nous visiterons l’usine sur place. Un proton fait 11.245 tours du LHC par seconde. Les aimants sont placés dans des cavités cryogéniques à –271°,3 pour faciliter la supraconductivité du courant électrique circulant autour des anneaux et aussi éviter l’échauffement. Le moindre dysfonctionnement (sur 27 km !) provoque la congélation du système (incident de septembre 2008 sur 200m). Chaque faisceau est composé de 2800 (1400 dans chaque sens) paquets de 100 milliards de particules tellement petites qu’une vingtaine de collisions pour 200 milliards a lieu. En tournant les paquets font 7 cm mais à l’approche de la collision on les réduit à 20 microns pour avoir le plus de collisions possibles. Chaque seconde 2 à 300 évènements sont analysés, d’où l’on retiendra 25 collisions proton-proton parmi un bruit de fond gigantesque représentant des collisions ou des particules parasites comme les gluons. Par chance il peut y avoir un candidat Higgs par expérience. Un faisceau peut tourner pendant 10 H après il est éjecté dans un tunnel poubelle de 350 m avec au bout un bloc de graphite de 8 m de long tenu par 35 bloc de béton. L’énergie alors est celle d’un TGV à 150 km/s.

Au départ les protons libérés d’une bouteille d’Hydrogène (les atomes d’H ont été épluchés de leurs électrons) passent successivement dans le LHC contient un 9600 d'aimants supraconducteurs pour guider en tournant les essaims de protons, pour atteindre un champ magnétiques de 8,33 telsa, chacun d'eux refroidis à 1,9° kelvin, soit -271,25° celsius, faisant du LHC le plus grand système de refroidissement jamais réalisé. Des températures aussi basses, nécessitant 120 tonnes d'hélium liquide pour être obtenues, sont nécessaires pour atteindre la supraconductivité, c'est-à-dire, une résistance nulle au passage du courant électrique. Les forts courants électriques produisent alors les puissants champs magnétiques requis. Le LHC est l’endroit le plus froid de l’Univers. Le bobinage des câbles est le point le plus sensible (1 câble a 36 brins torsadés de 6400 filaments de 7 microns de diamètre : c’est là où se situe les pannes). La prouesse technologique réside dans la conception et la construction de l’anneau plus que dans les détecteurs.

Donc pour courber la trajectoire des protons autour de l'anneau, l'accélérateur utilise 1232 dipôles magnétiques de 15 m de long de couleur bleue, et 392 quadripôles de focalisation sont utilisés pour concentrer les rayons avant la collision. Les ondes radio poussent les protons autour de l'anneau et les « rassemblent » en paquets d'environ 100 millions chacun. Le budget le plus important fut porté sur la construction des aimants dont on visitera l’usine. Sur un budget total de 3 milliards d’euros, seuls chaque détecteurs coûtera 500 millions, le reste sera affecté pour une large part aux aimants, point fort du LHC jamais souligné.

Dans un premier temps, des atomes d'hydrogène, qui sont normalement constitués d'un unique électron et d'un unique proton, sont expulsés d’une petite bouteille (dont on verra un exemplaire dans la sphère musée à l’entrée). Ils sont débarrassés de leur électrons et accélérés dans un accélérateur linéaire appelé LINAC 2, ils sont ensuite accélérés à nouveau dans une structure composée de quatre anneaux appelée BPS le Booster Protons-Synchrotron qui débouche dans le PS synchrotron à protons de 628 mètres de circonférence. Puis sont injectées dans le grand anneau dont le but est de passer de 99,9.997.828% à 99,9.999.991% en 20 minutes en tournant.

Les protons traversent les détecteurs en paquets de 100 millions de protons chacun. Les essaims de protons sont espacés de 7,48 m. Sur les 200 millions de protons présents dans la zone de collision prévue, seule une vingtaine vont réellement entrer en collision, en raison de la petite taille des protons. Les autres passent entre les gouttes. Cependant, les paquets de protons voyagent principalement en impulsions, à la fréquence d'une toutes les 25 nanosecondes, ce qui signifie que les collisions dans le détecteur se produiront en moyenne 80 millions de fois par seconde. Les détecteurs doivent enregistrer chaque paquet en moins de 100 nano secondes sur des millions de voies (trafic supérieur à l’ensemble des communications tel de la planète).

Des logiciels éliminent les évènements inintéressants (400 par seconde) (ne comportant pas les particules requises ou des phénomènes connus donnant 2 gammas photons, éliminent le bruit de fond très importants des parasites dus au système. La présence d’un boson enrichi une statistique et le degré de fiabilité est calculé. 25 bosons ont été sélectionnés de masse 125 GeV sur la désintégration 4 leptons (muons) en 2011 et 2012, 13 ont été retenus.

Les résultats officiels ont été donnés le 4 juillet 2012 à 9H lors d’un séminaire normal sans sujet, par les 2 portes paroles du CMS et d’ATLAS en présence de Higgs et Englert, Brout étant décédé l’an passé. J’ai vu Higgs pleurer (voyant le résultat d’une expérience prévue 50 ans plutôt !).

Le prix Nobel a été attribué à Higgs et Engert le 8 octobre 2013. Il ne pouvait pas être attribué à Brout, décédé en 2011, le comité a laissé sa place vide dans l’annonce. Le CERN, en tant qu’organisation, ne pouvait pas recevoir de prix à son grand regret comme nous l’a écrit Yves Sirois (seules les organisations internationales sont proposées pour le prix Nobel de la Paix, exemple MSF).)

La découverte du boson de Higgs est fondamentale dans l’explication de la naissance de l’U.

Il est le point central qui change l’orientation de l’évolution l’U en changeant sa densité. C’est le point dur des fluctuations de l’énergie du vide. On ne sait pas pourquoi les particules ont récupéré des masses différentes. On ne sait pas pourquoi avant il n’y avait au départ que les quarks, des électrons et des photons. Les Américains l’appellent « the God Particule », la particule de Dieu. Il s’agit d’une erreur volontaire d’un éditeur d’un texte de Léon Lederman initialement « The Goddamn Particule », « cette foutue particule ». Mais vu son rôle central certains commencent à s’interroger.

La suite des recherches sera la découverte d’autres particules grâce à la puissance du LHC (aujourd’hui 4 X 2 Tev, en 2015 7 X 2 Tev) impliquant peut- être 1 ou plusieurs modèles, un autre boson de Higgs à plus grande énergie. Le Modèle dit Standard pourrait être étendu à des énergies bien plus grandes dès que le LHC fonctionnera à son maximum. Michel Spiro nous a dit qu’il pourra même avoisiner les 10 ¹⁵GeV, échelle de la grande unification et de l’inflation. Peut -être qu’un autre boson de Higgs serait l’inflaton ?

Alice pourra peut- être expliquer la matière initiale au tout début de l’U où les gluons ne pouvaient plus retenir les quarks. Après il faudra chercher l’origine des quarks, des photons et … du boson de Higgs lui- même.

Je voudrais maintenant emprunter mes conclusions au cours que notre ami Yves Sirois donne à l’Ecole Polytechnique :

« une solution extraordinairement inventive est à l'origine de la substance de la matière « ... la masse inertielle émerge spontanément à partir de "rien"

« Les principes de symétrie et d'universalité permettent de comprendre la matière et les « interactions et de contempler les très petites distances (très hautes énergies) « caractéristiques du début de l’univers

Le champ de Higgs est la clé de voute de la théorie de l’infiniment « petit ! la masse des particules régulent l’ensemble

Un des plus grands projets scientifiques de tous les temps est en marche au CERN pour encore pour 20 ans...

• Nous avons découvert une nouvelle particule prévue par le calcul 50 ans auparavant 

• Elle couronne un édifice intellectuel intégrant les révolutions conceptuelles majeures de plusieurs siècles (relativité, mécanique quantique, champs et symétries etc.)

• Elle implique l’existence d’une « réalité » sous-jacente composée de « champs » quantiques qui peuplent l’Univers depuis les origines ... (Yves SIROIS)

Sommes-nous arrivés au bout d’un chemin ? (théorie des champs, symétries de jauges, ...) ?

Faudra-t-il une révolution plus profonde des idées ? une nouvelle théorie mathématique (comme en bénéficia Einstein) ?