Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) de Genève (Suisse) vient d’accélérer ses premiers « atomes » à une vitesse proche de celle de la lumière, et les résultats ont même dépassé les attentes. Une preuve de concept passionnante, qui pourrait conduire à une nouvelle série d’expériences révolutionnaires.
Au LHC, les scientifiques travaillent normalement avec des protons, en les accélérant à des vitesses proches de celle de la lumière, mais cela ne signifie pas que les chercheurs n’ont pas la possibilité d’expérimenter de nouveaux horizons.
Le mercredi 25 juillet 2018, les opérateurs ont injecté dans le LHC, pour la toute première fois, des noyaux atomiques ainsi que des « atomes » contenant un seul électron. Ce fut l’un des premiers tests de preuve de concept pour une nouvelle idée appelée Gamma Factory, qui fait partie du projet Physics Beyond Colliders du CERN.
« Nous étudions de nouvelles idées sur la façon dont nous pourrions élargir le programme de recherche et l’infrastructure actuels du CERN », explique Michaela Schaumann, ingénieur en charge du LHC. « Découvrir ce qui est faisable est la première étape » ajoute-t-elle.
Les expériences menées au LHC ont conduit à la découverte du boson de Higgs en 2012, et depuis lors, un tas de nouvelles particules subatomiques étranges ont été découvertes.
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Durant une expérience « standard », le LHC produit un flux régulier de collisions proton-proton, puis comprime les noyaux atomiques ensemble pendant environ trois à quatre semaines, juste avant la fermeture annuelle hivernale. Mais durant quelques jours de l’année (ce qui n’est pas beaucoup au final), les physiciens ont la possibilité d’essayer de nouvelles idées pendant les périodes de développement de la machine.
Par exemple, lors d’une expérience précédente, les physiciens avaient accéléré des noyaux de xénon dans le LHC et ont aussi testé, dans l’accélérateur SPS, d’autres types d’ions de plomb partiellement extraits.
« Cet essai spécial au LHC était la dernière étape d’une série de tests », explique le physicien Witold Krasny, qui coordonne un groupe d’étude d’environ 50 chercheurs, dans le but de développer de nouvelles façons de produire des rayons gamma de haute énergie.
Accélérer les noyaux de plomb avec un électron restant peut être difficile en raison de la fragilité de ces atomes. « Il est très probable que l’électron soit retiré accidentellement », explique Schaumann. « Lorsque cela se produit, le noyau s’écrase dans la paroi du tube du faisceau car sa charge n’est plus synchronisée avec le champ magnétique du LHC » précise-t-il.
Au cours du premier cycle, les opérateurs ont injecté 24 paquets d’atomes et ont obtenu un faisceau stable à basse énergie pendant environ une heure. Ils ont ensuite paramétré le LHC à sa pleine puissance et maintenu le faisceau pendant environ deux minutes avant qu’il ne soit éjecté dans la décharge du faisceau. « Si trop de particules se détachent, le LHC rejette automatiquement le faisceau », explique Schaumann. « Notre priorité principale est de protéger le LHC et ses aimants ».
Après avoir activé les aimants pendant le cycle de redémarrage, Schaumann et ses collègues ont retenté l’expérience, cette fois avec seulement six paquets d’atomes. Ils ont gardé le faisceau en circulation pendant deux heures avant de l’interrompre.
« Nous avions prédit que la durée de vie de ce faisceau spécial à l’intérieur du LHC serait d’au moins 15 heures », explique Krasny. « Nous avons été surpris d’apprendre que la durée de vie pouvait atteindre 40 heures, mais nous pouvons maintenant conserver la même durée de vie du faisceau à une intensité plus élevée en optimisant les paramètres du collimateur, qui étaient encore configurés pour les protons durant ce test ».
Ces essais sont effectués pour déterminer si le LHC pourrait un jour fonctionner comme une sorte « d’usine à rayons gamma ». Dans ce scénario, les scientifiques tireraient sur les « atomes » circulants avec un laser, faisant sauter l’électron dans un niveau d’énergie plus élevé.
Puis lorsque l’électron reviendrait à son niveau d’énergie initial, il éjecterait une particule de lumière (photon). Dans des circonstances normales, cette particule de lumière ne serait pas très énergétique, mais comme l’atome se déplacerait déjà à une vitesse proche de celle de la lumière, l’énergie du photon émis serait amplifiée et sa longueur d’onde comprimée (effet Doppler).
Ces rayons gamma auraient une énergie suffisante pour produire des particules de « matière » normales telles que des quarks, des électrons et même des muons. Parce que la matière et l’énergie sont physiquement liées, ces rayons gamma de haute énergie se transformeraient en particules massives et pourraient même donner naissance à de nouveaux types de matière, comme la matière noire. Ils pourraient également être la source de nouveaux types de faisceaux de particules, tels qu’un faisceau de muons.
Les scientifiques du CERN ont encore un long chemin à parcourir avant d’y arriver, mais c’est une première étape passionnante qui pourrait mener à une nouvelle ère scientifique au LHC.
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