Au CERN, l’accélérateur LHC, doté de quatre immenses détecteurs, doit entrer en service dans six mois. Objectif: traquer le boson de Higgs, particule qui expliquerait tout! Reportage en sous-sol.
«Equivalents modernes des pyramides», «projet titanesque», les superlatifs ne manquent pas, qui sont utilisés pour décrire les nouvelles installations de l’Organisation européenne de recherche nucléaire (CERN), près de Meyrin. Perdu dans la campagne du Pays de Gex voisin, c’est pourtant un vulgaire hangar jaunâtre qui accueille le quidam. Un entrepôt qui recouvre un large puits, profond de 100 mètres. Car, comme pour le plus précieux des diamants, c’est 300 pieds sous terre que se trouve la monumentale merveille technologique: le détecteur CMS. On la découvre après une plongée en ascenseur d’une minute, casque de chantier vissé sur la tête.
Haute de 15 mètres pour 21,5 de long, colorée de rouge et de vert comme un jeu de construction, la machine ressemble à une poupée russe: des couches dodécagonales sont imbriquées les unes dans les autres, alignées au millimètre, et composées de divers détecteurs à particules et de millions de capteurs brillants. En son cÅ“ur, le plus grand aimant solénoïdal supraconducteur du monde, qui produira un champ magnétique de 4 tesla, 100 000 fois plus que celui, naturel, de la Terre. «L’ensemble pèse 12 500 tonnes, explique la physicienne belge Muriel Vander Donckt. Il y a ici autant de fer que dans la tour Eiffel!»
Là, dans cette caverne de béton éclairée par des projecteurs blafards où résonnent coup de marteau et cliquetis de soudeurs, 2360 personnes provenant de 37 pays participent à l’édification de ce gigantesque Meccano. Une cathédrale de métal et d’électronique dont le but est de voir la trace de ce que d’aucuns nomment la «particule de Dieu».
Le boson de Higgs est en effet le Graal des physiciens. Son existence permettrait d’asseoir les théories élaborées pour décrire le «fonctionnement» de l’Univers (lire ci-contre). Pour y parvenir, les scientifiques ont imaginé, il y a 15 ans, le plus sophistiqué des appareillages: le LHC, acronyme anglais pour Grand Collisionneur de hadrons. Et en ce début mai, la lumière commence à poindre au bout du tunnel circulaire, situé lui aussi 100 mètres sous terre: si tout va bien, l’appareil et ses 100 000 tonnes de matériel, devisé à 10 milliards de francs au total, devraient entrer en service dans six mois tout juste.
Dans cette galerie de 27 km de circonférence, creusée dans la molasse pour la précédente installation du CERN (le LEP), est mis en place l’élément clé du dispositif: l’accélérateur. De longs tuyaux d’acier bleus serviront de circuit pour accélérer des protons ou des noyaux de plomb à une vitesse proche à 99,9999991% de celle de la lumière – ces particules parcourront ainsi 11 245 tours par seconde.
Derrière la coque perfusée par endroits d’une myriade de boyaux argentés vit une technologie extrêmement délicate. «Dans le canal où circuleront les particules règne un vide de 10-13 atmosphère, plus haut que dans l’espace», détaille Pierre Strubin, un des responsables du projet, en décrivant le système de pompage. Mais ces tubes abritent surtout 1232 aimants très particuliers, appondus au dixième de millimètre près (!), dont le rôle est de dévier la trajectoire des particules et de les maintenir sur la boucle: «Pour qu’ils soient assez puissants, il faut les rendre supraconducteurs. Autrement dit, la matière qui les compose doit conduire l’électricité sans aucune résistance, détaille Pierre Strubin. Le seul moyen est de les refroidir à -271,1°C.» Soit plus froid que dans l’espace (-270,3°C). Une installation de cryogénisation révolutionnaire, fonctionnant à l’hélium superfluide, a dû être imaginée. Faisant dire à ses fabricants qu’ils façonnaient le «plus gros et complexe frigo du monde». Le plus lent aussi: «Il faudra de quatre à six semaines pour refroidir la machine à la température voulue…»
Sur cette autoroute circulaire, les particules vont circuler réparties en 2808 paquets de 100 milliards chacun. Et cela dans les deux sens mais sans s’entrechoquer. Chaque grappe portera une énergie énorme (7 TeV) équivalant à celle contenue dans un TGV de 400 tonnes roulant à 150 km/h!
L’ensemble de cette «maquette de trains» géante sera contrôlée depuis une salle située en surface, insonorisée presque comme un studio de radio, «pour permettre aux 20 techniciens qui s’y relaieront jour et nuit de travailler dans le calme», justifie Django Manglunki, chef du projet de ce nouvel espace. «Le faisceau du LHC est si intense qu’il fait de cette machine la première à pouvoir s’autodétruire! Mais en cas de problème, il sera immédiatement dévié, puis dispersé dans une cible de graphite», rassure-t-il, en survolant du bras les écrans plats où défilent déjà des nuées de chiffres.
Dans le LHC, les physiciens pourront toutefois faire entrer les faisceaux en collision frontale. Puis, lors des 600 millions de télescopages entre deux particules qui auront lieu chaque seconde, ils observeront les débris qui en résultent. Grâce à différents détecteurs (chambres à gaz, cristaux luminescents, calorimètres, etc.), il s’agira alors d’enregistrer les traces propres à chacune de ces particules secondaires pour les identifier et, après avoir trié et examiné les plus intéressantes (moins de 0,00002%!), peut-être en déduire la présence du furtif boson de Higgs. Des informations qui rempliront, chaque année, une pile de CD-Rom haute de 20 km! Quatre expériences principales, réparties sur le parcours, dépisteront tous ces événements. CMS et sa matriochka de couches sensibles aux diverses poussières d’atome est l’une d’elles.
A l’opposé sur l’anneau, on trouve ATLAS. A l’inverse de CMS, qui a été construit en surface puis découpé en 13 tranches pour être descendu sous terre, «ce titanesque détecteur de 7000 tonnes, haut de huit étages et long comme un demi-terrain de football, a été érigé dans sa caverne comme un bateau dans une bouteille», image le porte-parole Peter Jenny. Signes distinctifs: une batterie de huit immenses bobines ressemblant à des agrafe-pages longs de 26 m formant un aimant toroïdal supraconducteur qui servira à influencer diversement les trajectoires des particules issues des collisions. Aujourd’hui, ils sont désormais invisibles, les deux extrémités de la machine étant déjà couvertes par plusieurs couches de panneaux détecteurs dorés semblables aux pales d’un moulin à vent.
«La conception est différente de CMS, mais le but est le même: déceler le boson de Higgs», poursuit Peter Jenny, qui juge motivante la «concurrence» entre les deux groupes. Les délais de construction, d’ici à novembre, seront-ils tenus? «Les 1800 personnes travaillant sur le projet n’ont pas de temps pour les vacances, sourit le physicien. Car, dans un tel puzzle, si l’installation d’une pièce prend du retard, cela a des conséquences pour tout le reste. De même, il faut scrupuleusement tester plusieurs fois chaque élément», explique-t-il, en retenant une porte en grillage rouge. Qui porte un panneau de mise en garde: «Si vous l’ouvrez pendant que l’accélérateur fonctionne, le faisceau s’arrête automatiquement.» Au LHC, des multiples dispositifs de sécurité ont ainsi été prévus pour éviter qu’une personne ne soit présente dans les zones du tunnel soumises aux radiations issues des collisions entre particules.
Un peu plus loin sommeille ALICE. Moins volumineuse que ses deux frères ATLAS et CMS, cette installation héberge un aimant octogonal rouge qui ressemble à une casserole posée sur le flanc. «Les physiciens vont y recréer puis étudier une soupe de particules un million de fois plus chaude que le Soleil (soit 1013 °C), appelée plasma de quarks-gluons, qui existait lors des premiers instants de l’Univers, jusqu’à 0,01 milliseconde après le Big-Bang», explique le professeur Christian Fabjan.
Et si l’aimant rouge a été recyclé d’une précédente expérience des années 1980, ALICE n’aura rien d’une grand-mère déguisée en jeune fille: «Nous serons scientifiquement au top, justifie l’ingénieur. Car au fur et à mesure qu’avançait le projet, nous l’avons adapté en fonction des progrès technologiques. Notre avantage est de disposer sur place de notre propre atelier.» Passent discrètement deux Chinois en salopettes bleues et casques jaunes. «Cela encourage les interactions humaines. Sur le millier de chercheurs du projet, c’est fantastique de voir les Chinois collaborer avec les Russes, les Indiens avec les Pakistanais.»
Dernier instrument du quartette: LHCb. Moins spectaculaire, car constitué «seulement» d’un immense mille-feuille de couches détectrices que traverseront frontalement les débris des collisions de particules. «Ici, nous voulons découvrir pourquoi l’Univers est aujourd’hui fait plutôt de matière que d’antimatière», explique Aurelio Bay, physicien à l’EPFL.
Caché dans cet amoncellement de barres et de plaques de fer d’où jaillissent des gerbes de câbles, deux techniciens discutent, fixés sur un élément électronique de la taille d’un timbre-poste. «Plus que leur complexité, c’est le temps qu’il a fallu pour mettre sur pied ces expériences qui est parfois difficile à appréhender, s’enthousiasme le physicien, sourire en coin derrière sa barbe en bataille. Je connais des collègues pour qui ce projet fantastique est celui de toute une vie.»
