Au lieu de machines toujours plus grandes et coûteuses, des chercheurs du CERN ambitionnent d’accélérer des particules avec un instrument tenant dans… un garage
En physique des particules, la course au gigantisme des accélérateurs commence à atteindre ses limites, ces machines arrivant à des tailles et des coûts de plus en plus faramineux. Une nouvelle technologie qui sera testée début 2017 au CERN permettrait de produire des faisceaux de particules ayant des énergies phénoménales avec des instruments tenant dans… un garage. C’est l’objectif du projet Awake, dont les spécialistes se réunissent du 9 au 11 mars à Lisbonne pour tracer les futures étapes de développement. Une avancée qui ne rendra encore que plus accessible ce champ abscons mais si utile de la physique.
Dans le monde, il existe environ 30 000 accélérateurs de particules, utilisés comme outil thérapeutique en oncologie ou moyen de recherche en biologie et en physique de la matière, pour caractériser les matériaux semi-conducteurs industriels par exemple. Les plus grands accélérateurs sont exploités par les physiciens pour étudier les grandes questions scientifiques, comme l’origine et le développement de l’Univers. De tous, le grand collisionneur de hadrons (LHC), au CERN, à Genève, est le plus long, avec son tunnel circulaire de 27 km.
Vision des années 1970
Le LHC fait se télescoper des trains de protons avec des énergies inouïes, et a déjà permis de belles découvertes, comme celle du boson de Higgs en 2012, la particule qui attribue leur masse à toutes les autres. Mais, pour percer encore plus à fond les mystères chers notamment à Albert Einstein, les physiciens ont besoin de plus. Plus d’énergie dans les collisions. Avec des engins plus puissants, donc plus grands; on parle déjà d’un accélérateur de 100 km de circonférence, le FCC, ou d’un autre, linéaire, de 31 km, l’ILC. En effet, dans ces instruments, les particules sont accélérées sous l’effet d’un champ électrique dans une cavité métallique. Ce champ ne peut être augmenté à souhait, car au-delà d’une certaine valeur se produisent des décharges, comme des éclairs d’orage. La seule autre possibilité d’accroître ce champ électrique est donc d’augmenter la distance entre les bornes (positives et négatives) qui le génèrent…
«Lorsqu’on évalue les coûts et l’échelle de ces machines, l’on comprend qu’une percée est peut-être nécessaire», dit dans la revue Nature Nick Walker, chercheur à DESY, le laboratoire allemand de physique des hautes énergies. Ce changement de paradigme, c’est peut-être une vision théorisée à la fin des années 1970 qui va le permettre. Celle-ci propose d’exploiter les propriétés d’un état particulier de la matière: le plasma. Lumineux et très chaud, un peu similaire au gaz, le plasma n’est pas constitué d’atomes mais de particules chargées, libres et en suspension (ions, électrons).
Le principe dit d’«accélération par champ de sillage plasma» fait alors appel à une métaphore simple: lorsqu’un surfer, statique à la surface de l’eau, «prend la vague» qui l’approche, il se met soudain à acquérir de la vitesse. De même, l’idée est de générer une onde dans le plasma qui permettrait de «pousser» et d’accélérer des particules placées sur son passage. Comme un bateau par exemple peut générer une vague sur un plan d’eau calme, il faut quelque chose pour créer cette onde dans le plasma. Plusieurs groupes dans le monde ont testé diverses solutions: des lasers, des rayons d’électrons. «Dans le projet Awake, pour la première fois, nous utiliserons un faisceau de protons, celui du SuperProtonSynchrotron (SPS), l’un des anciens accélérateurs du CERN, qui sert aujourd’hui à booster les particules injectées dans le LHC», explique Edda Gschwendtner, responsable du projet au CERN.
Prendre la vague
Vers fin 2016, ce faisceau (d’une énergie de 400 GeV) sera dirigé sur une cellule de 10 m de long, ayant la forme d’un gros tuyau entouré d’une gaine isolante, et remplie d’un plasma maintenu à 192 °C. En traversant cette soupe de particules chargées, le cortège de protons générera des ondulations. «Toute la subtilité consistera alors à injecter dans cette cellule des électrons à un moment précis, de manière à ce que, comme le surfer, ils puissent «prendre la vague» ainsi créée, et accélérer, poursuit Edda Gschwendtner. Le plus fascinant, c’est que l’on peut obtenir une accélération au mieux jusqu’à 1000 fois plus importante dans une telle cellule que dans un accélérateur conventionnel, sur la même distance.» Autrement dit, l’on pourrait réduire les 31 km nécessaires à générer l’accélération dans la future machine linéaire ILC à… quelques centaines de mètres!
21,4 millions de francs alloués
Evidemment, la technologie d’«accélération par champ de sillage plasma» porte aussi maints défis, sans quoi elle aurait déjà été mise en œuvre depuis longtemps: il s’agit entre autres de stabiliser autant que possible le plasma. «Surtout, il faut que le faisceau accéléré ait une assez grande luminosité, autrement dit qu’il soit assez bien focalisé, pour ensuite permettre des collisions à extrêmement haute énergie. C’est un des objectifs de la recherche et développement de la prochaine décennie.»
Sur le plan financier, le projet bénéficie déjà d’un soutien de 21,4 millions de francs suisses, alloués pour les deux tiers par le CERN, le reste par les 16 instituts dans le monde qui font partie d’Awake, impliquant une soixantaine de personnes. Qui toutes tenteront de donner raison au célèbre physicien anglo-américain Freeman Dyson, selon qui «les nouvelles directions en sciences sont lancées par des nouveaux outils plus que par des nouveaux concepts théoriques».
Comme un surfer voit sa vitesse augmenter lorsqu’il «prend la vague», des paquets d’électrons injectés dans un plasma où ont été générées des ondes accélèrent jusqu’à 1000 fois plus que dans un accélérateur normal.
