Vous avez peut-être déjà rencontré le terme « sigma » dans le contexte d’une découverte réalisée en physique des particules. Mais que veut-il dire exactement ? Pourquoi est-il si important de mentionner les sigmas lors de l’annonce de la découverte d’une nouvelle particule ? Et pourquoi cinq sigmas spécifiquement ?

Pourquoi la physique des particules s’appuie-t-elle sur les statistiques ?

Les particules produites lors de collisions au Grand collisionneur de hadrons (LHC) sont minuscules et ont une durée de vie extrêmement courte. Elles se désintègrent presque immédiatement en d’autres particules, et il est donc impossible de les « voir » directement. À la place, ce qu’observent les physiciens, ce sont les propriétés des particules finales, notamment leur charge, leur masse, leur spin et leur vitesse. Comme des détectives, ils étudient les produits finaux à la recherche d’indices sur les éventuelles transformations subies par les particules au cours de leur désintégration. Les probabilités concernant ces « canaux de désintégration » sont prédites par la théorie.

Au LHC, des millions de collisions de particules sont filtrées à chaque seconde grâce à des systèmes de déclenchement conçus pour identifier la désintégration des particules rares. Ensuite, les équipes analysent les données filtrées pour trouver des anomalies qui pourraient indiquer la présence d’une nouvelle physique.

Comme dans toute expérience, il y a toujours une possibilité d’erreur. Ainsi, le bruit de fond peut provoquer des fluctuations naturelles dans les données, ce qui aboutira à des erreurs statistiques. Le risque d’erreur peut venir du fait que la quantité de données est insuffisante ; ou bien, des équipements défectueux ou de petites erreurs de calcul peuvent être à l’origine d’erreurs systématiques. Les scientifiques cherchent des moyens de réduire l’incidence de ces erreurs pour pouvoir revendiquer des résultats avec autant d’exactitude que possible.

Qu’est-ce que la signification statistique ?

Prenons un dé normal à six faces : si vous le lancez, vous avez une chance sur six d’obtenir un chiffre en particulier. Par contre, si vous lancez deux dés, la probabilité d’obtenir un total donné varie : il n’y a qu’une seule façon d’obtenir un deux, contre six façons différentes d’obtenir un sept. Supposons que vous lancez ces deux dés à de très nombreuses reprises et que vous présentez les résultats sous forme de graphique, vous obtiendrez une courbe en cloche également appelée distribution normale.

La distribution normale possède des propriétés intéressantes : elle est symétrique, son pic correspond à la moyenne, et la dispersion des données est mesurée à l’aide de l’écart-type. Pour des données présentant une distribution normale, la probabilité de voir un point de données se situer dans la limite d’un écart-type par rapport à la moyenne est de 68 %. Cette probabilité monte à 95 % pour deux écarts-types et est encore plus élevée pour trois écarts-types.

L’écart-type est représenté par la lettre grecque σ (sigma). La signification statistique, mesurée par le nombre d’écarts-types par rapport à la moyenne, désigne la distance entre un point de données spécifique et sa valeur attendue.

Quel rapport avec la physique ?

Lorsque les scientifiques examinent les données enregistrées au LHC, il est normal qu’ils observent de petites bosses et des fluctuations statistiques, mais les résultats sont généralement proches de la valeur attendue. Une anomalie plus importante indique la présence d’un nouveau résultat. À quel moment cette anomalie peut-elle être considérée comme un nouveau phénomène ? Pour le découvrir, les scientifiques s’appuient sur les statistiques.

Revenons à notre analogie avec le dé. Cette fois, vous lancez un dé en ne sachant pas s’il est truqué, et vous obtenez un trois au premier lancer. Ce résultat n’est pas particulièrement significatif, puisque vous aviez une chance sur six d’obtenir un trois : vous avez besoin de davantage de données pour déterminer si le dé est bel et bien truqué. Vous lancez le dé deux fois, trois fois, voire plus : à chaque fois, il donne un trois. À quel moment pouvez-vous confirmer que le dé est truqué ?

Il n’existe aucune règle en la matière mais si vous obtenez le même résultat, disons, huit fois de suite, vous n’aurez plus guère de doute. La probabilité qu’un tel résultat se produise par hasard n’est que de (1/6)⁸ = 0,00006 %.

Les physiciens procèdent de la même façon pour déterminer si une anomalie constitue vraiment un résultat. Plus les données sont nombreuses, plus la probabilité que se produise une fluctuation statistique à un moment donné diminue. Dans le cas du boson de Higgs, les physiciens avaient besoin d’une quantité suffisante de données pour que la signification statistique dépasse le seuil des cinq sigmas. Ce n’est qu’à ce moment-là qu’ils ont pu annoncer la découverte d’une « particule aux caractéristiques compatibles avec celles du boson de Higgs ».

Que veut dire « signification statistique de cinq sigmas » ?

Si l’on obtient un résultat avec une signification statistique de cinq sigmas, cela signifie qu’il est quasi-certain que la bosse observée sur la courbe des données est due à un nouveau phénomène et non à une fluctuation statistique. Pour calculer la signification statistique, les scientifiques mesurent le signal en le comparant aux fluctuations attendues du bruit de fond sur toute l’étendue des données. Pour certains résultats, dont les anomalies pourraient se situer au-dessus comme au-dessous de la valeur attendue, une signification de cinq sigmas représente la probabilité de 0,00006 % que les données soient des fluctuations. Pour d’autres, comme la découverte du boson de Higgs, une signification de cinq sigmas indique une probabilité de 0,00003 % d’une fluctuation statistique, car les scientifiques cherchent des données ayant une signification de plus de cinq sigmas sur une moitié de la courbe de distribution normale.

Pourquoi veut-on spécifiquement cinq sigmas en physique des particules ?

Dans la plupart des domaines scientifiques qui utilisent l’analyse statistique, ce seuil de cinq sigmas semble excessif. En règle générale, pour une étude sur la population, par exemple un sondage sur les intentions de vote, un résultat possédant une signification statistique de trois sigmas suffirait. Néanmoins, quand il s’agit de décrire le matériau qui compose l’Univers, les scientifiques s’efforcent d’être aussi précis que possible. Les connaissances scientifiques relatives à la nature fondamentale de la matière ont un impact important et une erreur pourrait avoir des répercussions considérables.

Par le passé, il est arrivé que des résultats, semblant révéler de nouvelles découvertes, soient annoncés sur la base de données dont la signification statistique n’était que de trois ou quatre sigmas, et que ces résultats soient ultérieurement démentis une fois analysé un volume de données plus important.

En cas d’erreur systématique, due à une erreur de calcul par exemple, une signification initiale élevée de cinq sigmas peut indiquer que les résultats ne sont pas totalement dénués de validité. Toutefois, cela veut dire que le résultat n’est pas certain et qu’il ne peut servir à revendiquer une nouvelle découverte.

La valeur de cinq sigmas est considérée comme la référence en physique des particules, car elle garantit une très faible probabilité que l’observation soit fausse.

Mais cinq sigmas ne suffisent pas toujours...

En règle générale, cinq sigmas représentent la valeur de signification statistique acceptée pour la découverte de nouvelles particules s’inscrivant dans le Modèle standard, c’est-à-dire de particules prédites par la théorie qui représente notre compréhension actuelle de la nature. Une signification de cinq sigmas est également admise pour la recherche de propriétés spécifiques du comportement des particules, car la probabilité de trouver des fluctuations dans l’échantillon est moindre.

Pour déterminer si une signification statistique de cinq sigmas est suffisante, il convient de comparer, en s’appuyant sur la théorie, la probabilité de la réalisation d’une nouvelle hypothèse avec celle d’une fluctuation statistique.

En ce qui concerne la physique au-delà du Modèle standard ou les données qui contredisent la physique généralement admise, la signification statistique doit être beaucoup plus élevée, assez pour « réfuter » la physique précédente. Dans son article intitulé « Discovering the Significance of 5 Sigmas », le physicien Louis Lyons suggère que les résultats correspondant à des phénomènes moins probables devraient être contraints à une signification statistique plus élevée : sept sigmas pour la détection d’ondes gravitationnelles ou la découverte de pentaquarks, par exemple.

Louis Lyons estime toutefois dans son article qu’une signification statistique de cinq sigmas est suffisante pour la découverte du boson de Higgs. En effet, la théorie du boson de Higgs a été prédite, testée mathématiquement et généralement admise par la communauté de la physique des particules bien avant que le LHC puisse créer les conditions permettant de l’observer. Mais une fois le signal détecté, une signification statistique élevée était tout de même nécessaire pour affirmer qu’il s’agissait d’une découverte.

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Une signification statistique de cinq sigmas est une contrainte rigoureuse, mais cette valeur est en fait un minimum ; une valeur plus élevée confère encore plus de fiabilité aux données. Néanmoins, pour obtenir des résultats avec une signification statistique de six, sept, voire huit sigmas, il faut beaucoup plus de données, et y consacrer plus de temps et d’énergie. C’est pourquoi une probabilité de 0,00006 % au plus qu’un nouveau phénomène ne soit pas un aléa statistique est suffisante.

Pour en savoir plus :

• Article : « Discovering the Significance of 5 Sigmas » (en anglais)
• Vidéo : The Higgs Discovery Explained (en anglais)
• Article en ligne : One- and Two-Tailed Tests (en anglais)

Qu'est-ce que le mécanisme de Brout-Englert-Higgs ?

Le mécanisme de Brout-Englert-Higgs (ou mécanisme BEH) décrit la façon dont les particules fondamentales acquièrent leur masse. Selon cette théorie, développée de façon indépendante en 1964 par Robert Brout et François Englert, en Belgique, et par Peter Higgs, au Royaume-Uni, les particules fondamentales acquièrent une masse en interagissant avec un « champ » présent dans tout l’Univers. Plus ces particules interagissent fortement avec le champ, plus elles sont massives.

Par contre, les particules qui n’interagissent pas avec ce champ n’ont pas de masse ; c’est le cas, par exemple, du photon. Ce mécanisme est à la base du Modèle standard, théorie qui décrit les particules élémentaires et les forces qui agissent sur elles. Ultérieurement, la même année, Gerald Guralnik et Carl Hagen (États-Unis), avec leur collègue Tom Kibble (Royaume-Uni), ont contribué au développement de cette nouvelle idée.

Qu’est-ce que le boson de Higgs ?

Le boson de Higgs est la particule quantique associée au champ de Higgs. Dans la mesure où le champ ne peut pas être observé directement, des expériences ont recherché la particule dont la découverte prouverait l’existence du champ et confirmerait la théorie. Le 4 juillet 2012, les collaborations ATLAS et CMS ont annoncé l’observation d'une particule aux caractéristiques compatibles avec celles du boson de Higgs tant attendu. Les analyses réalisées depuis lors par les deux collaborations ont confirmé que la particule découverte a les caractéristiques du boson décrit par la théorie.

Pourquoi est-ce si important ?

Au début des années 1970, les physiciens ont compris qu'il y avait des liens très étroits entre deux des quatre forces fondamentales, la force faible et la force électromagnétique. Ces deux forces peuvent être décrites dans le cadre d’une théorie unifiée, qui constitue la base du Modèle standard. Les équations fondamentales de la théorie unifiée décrivent de façon correcte les deux forces sous la forme d’une force électrofaible et de ses particules porteuses de force associées, à savoir le photon et les bosons W et Z. Sauf que toutes ces particules se retrouvent sans masse. Or si le photon a effectivement une masse nulle, nous savons que les particules W et Z ont une masse importante, équivalente à près de 100 fois celle d'un proton. Le mécanisme de Brout-Englert-Higgs résout ce problème en donnant une masse aux bosons W et Z. Il attribue également, dans le cadre du Modèle standard, une masse aux autres particules fondamentales comme les électrons et les quarks.

Le mécanisme de Higgs est-il responsable de la masse telle que nous la connaissons tous ?

Le champ de Higgs ne donne leur masse qu'aux particules élémentaires telles que les électrons et les quarks. Les quarks forment les protons et les neutrons à l'intérieur du noyau atomique. La plus grande part de la masse de la matière qui nous entoure (et qui nous compose) vient de ces protons et neutrons composites. Les quarks qu'ils contiennent ne représentent qu'une partie minuscule de leur masse, qui provient essentiellement de la force nucléaire forte qui lie les quarks entre eux. Cependant, sans le champ de Higgs, l’Univers ne serait pas tel que nous le connaissons. Les particules élémentaires, telles que les électrons, se déplaceraient à la vitesse de la lumière, comme le font les photons. Ces particules ne pourraient pas s’organiser en structures plus complexes telles que les atomes et les molécules, et nous n’existerions pas.

Depuis combien de temps le CERN recherche-t-il le boson de Higgs ?

La recherche du boson de Higgs au CERN a réellement commencé à la fin des années 1980, au LEP (Grand collisionneur électron-positon), qui occupait le tunnel qui héberge actuellement le LHC (Grand collisionneur de hadrons). Au cours des années 1990, les expériences menées auprès du collisionneur Tevatron du Fermilab, aux États-Unis, avaient également pour but la recherche du boson de Higgs. La grande difficulté initialement était que la théorie ne prédisait pas la masse de la particule, qui pouvait donc se trouver en un point quelconque d’une vaste gamme de masses. Le LEP a été arrêté en 2000 pour céder la place au LHC et les expériences LHC ont repris cette recherche en 2010.

Est-ce la fin de la quête ?

La découverte du boson de Higgs ne met pas un terme aux recherches ; les physiciens doivent étudier cette particule en détail afin de pouvoir mesurer ses propriétés. En outre, de nombreuses questions sont restées sans réponse. Par exemple, quelle est la nature de la matière noire, qui forme une grande partie de l’Univers ? Ou bien, pourquoi y a-t-il bien plus de matière que d'antimatière dans l'Univers, alors que matière et antimatière ont été produites en quantité égale au début de l'Univers ? Et bien d’autres encore…

Y a-t-il déjà eu des prix Nobel attribués pour des travaux effectués au CERN ?

Carlo Rubbia et Simon van der Meer ont reçu le prix Nobel de physique en 1984 pour « leurs contributions décisives au grand projet qui a conduit à la découverte des particules de champ W et Z, véhicules de l'interaction faible ».

Georges Charpak a reçu le prix Nobel de physique en 1992 pour « l'invention et la mise au point de détecteurs de particules, en particulier la chambre proportionnelle multifils ». Les détecteurs de particules élaborés par Charpak ont révolutionné la physique expérimentale des particules en augmentant considérablement le volume de données susceptibles d’être enregistrées par les détecteurs.

Le LHC ne créera pas de trou noir au sens cosmologique du terme. Cependant, selon certaines théories, de minuscules trous noirs « quantiques » pourraient se former. L’observation d’un tel phénomène serait un véritable événement, car il nous permettrait de mieux comprendre l’Univers, et ne présenterait aucun danger. Pour en savoir plus, cliquez ici.

Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) est le plus puissant accélérateur de particules jamais construit. Il se trouve au CERN, l’Organisation européenne pour la Recherche nucléaire, dans un tunnel situé à 100 mètres sous terre, de part et d’autre de la frontière franco-suisse, près de Genève (Suisse).

Qu’est-ce que le LHC ?

Le LHC est un accélérateur de particules qui accélère des protons ou des ions à une vitesse proche de celle de la lumière. Il consiste en un anneau de 27 kilomètres de circonférence composé essentiellement d’aimants supraconducteurs et équipé de structures accélératrices qui augmentent l’énergie des particules qui y circulent.

Pourquoi est-il appelé « Grand collisionneur de hadrons » ?

• « Grand » fait référence à ses dimensions, environ 27 km de circonférence.
• « Collisionneur » parce qu’il permet à deux faisceaux de particules se déplaçant en sens opposé d’entrer en collision en quatre points de la machine.
• « Hadrons » parce qu’il accélère des protons ou des ions, qui appartiennent à la famille de particules appelées hadrons.

Comment fonctionne le LHC ?

• La chaîne d’accélérateurs du CERN se compose d’une succession d’accélérateurs d’énergies croissantes. Chaque machine accélère un faisceau de particules à une énergie déterminée avant de l’injecter dans la machine suivante. Celle-ci porte alors le faisceau à une énergie encore plus élevée, et ainsi de suite. Le LHC est le dernier maillon de cette chaîne, celui où les faisceaux atteignent leur plus haute énergie.

• À l’intérieur du LHC, deux faisceaux de particules se déplacent à une vitesse proche de celle de la lumière, avant d’entrer en collision. Les faisceaux circulent en sens inverse, dans des tubes distincts placés sous ultravide. Ils sont guidés le long de l’anneau de l’accélérateur par un puissant champ magnétique, maintenu par des aimants supraconducteurs ; au-dessous d’une température spécifique, certains matériaux deviennent en effet supraconducteurs et n’offrent alors aucune résistance au passage du courant électrique. Pour tirer parti de ce phénomène, les aimants du LHC sont par conséquent refroidis à -271,3 °C (1,9 K), une température plus froide que celle de l’espace intersidéral. L’accélérateur est donc relié à un grand système de distribution d’hélium liquide, qui refroidit les aimants, ainsi qu’à d’autres systèmes annexes.

Quels sont les objectifs principaux du LHC ?

Le Modèle standard de la physique des particules est une théorie élaborée au début des années 1970 qui décrit les particules fondamentales et leurs interactions. Elle prédit avec exactitude une grande variété de phénomènes et est parvenue à expliquer, jusqu’à présent, presque tous les résultats des expériences en physique des particules. Mais le Modèle standard est incomplet. Il laisse sans réponse de nombreuses questions, auxquelles le LHC contribuera à apporter des éléments d’explication.
 

• D’où vient la masse? Le Modèle standard n’explique pas l’origine de la masse, ni pourquoi certaines particules sont très lourdes alors que d’autres ne possèdent aucune masse. Cependant, les théoriciens Robert Brout, François Englert et Peter Higgs ont proposé une théorie pour résoudre ce problème : les particules acquièrent une masse à travers le mécanisme de Brout-Englert-Higgs, en interagissant avec un champ invisible, dit « champ de Higgs », présent dans tout l’Univers. Celles qui interagissent fortement avec le champ de Higgs sont lourdes, celles qui n’interagissent que faiblement sont légères. À la fin des années 1980, les physiciens ont commencé à chercher le boson de Higgs, la particule associée au champ de Higgs. En juillet 2012, le CERN a annoncé la découverte du boson de Higgs, qui confirmait l’existence du mécanisme de Brout-Englert-Higgs. Cette découverte ne représente cependant pas la fin de cette aventure, car les chercheurs doivent étudier le boson de Higgs en détail afin de mesurer ses propriétés et d’observer ses désintégrations rares.

   

• La supersymétrie existe-t-elle ? Le Modèle standard n’offre pas une description unifiée de l’ensemble des forces fondamentales. En effet, il est difficile d’élaborer une théorie de la gravité similaire aux théories des autres forces. La supersymétrie, théorie fondée sur l’hypothèse qu’il existe pour chaque particule standard connue un partenaire plus massif, pourrait faciliter l’unification des forces fondamentales.

   

• Que sont la matière noire et l’énergie noire ? La matière que nous connaissons et qui constitue toutes les étoiles et les galaxies ne représente que 4 % du contenu de l’Univers. La chasse aux particules ou aux phénomènes responsables de la matière noire (23 %) et de l’énergie noire (73 %) reste donc ouverte.

   

• Où est passée l’antimatière ? Lors du Big Bang, matière et antimatière ont dû être produites en quantités égales, mais d’après ce que nous avons pu observer jusqu’à présent, notre Univers n’est constitué que de matière.

   

• Comment était la matière au tout début de notre Univers ? Tous les ans, sur certaines périodes, le LHC fait entrer en collision des ions plomb pour recréer des conditions similaires à celles qui prévalaient immédiatement après le Big Bang. En effet, lorsque des ions lourds entrent en collision à des énergies élevées, ils forment pendant un instant le plasma quarks-gluons, une « boule de feu » constituée de matière chaude et dense qui peut être étudiée par les expériences.

Comment le LHC a-t-il été conçu ?

Les scientifiques ont commencé à imaginer le LHC au début des années 1980, alors que l’accélérateur précédent, le LEP, n’était pas encore en fonction. En décembre 1994, le Conseil du CERN a approuvé la construction du LHC, et en octobre 1995 l’étude de conception technique du LHC a été publiée.

Des contributions du Japon, des États-Unis, de l’Inde et d’autres États non membres ont accéléré le processus et, entre 1996 et 1998, quatre expériences (ALICE, ATLAS, CMS et LHCb) ont été officiellement approuvées. Les travaux de construction ont alors commencé sur les quatre sites.

Quelques chiffres essentiels : l’énergie du LHC pour la deuxième période d’exploitation

Quels sont les détecteurs du LHC ?

Il y a sept expériences installées dans le LHC : ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, LHCf, TOTEM et MoEDAL. Ces expériences utilisent des détecteurs pour analyser la myriade de particules produites lors des collisions dans l’accélérateur. Elles sont conduites par des collaborations de chercheurs provenant d’instituts du monde entier. Chacune est différente et se caractérise par ses détecteurs.

Quel est le flux de données provenant des expériences LHC ?

Le Centre de Calcul du CERN enregistre plus de 30 pétaoctets de données provenant des expériences LHC par année, un volume qui pourrait remplir environ 1,2 million de disques Blu-ray, ce qui représente 250 années de vidéo haute définition. Plus de 100 pétaoctets de données sont archivés de façon permanente, sur bande.

Combien coûte le LHC ?

• Coûts de construction (en millions de francs suisses)

* Inclus : R&D sur la machine, injecteurs, tests et pré-exploitation
** Inclus le coût des infrastructures (les cavernes et les installations). Le coût total des détecteurs du LHC est d'environ 1500 MCHF.
 

• Coût de la première période d’exploitation
  Les coûts du LHC pendant l’exploitation (coûts directs et indirects) représentent environ 80 % du budget annuel du CERN pour les opérations, la maintenance, les arrêts techniques, les réparations et les travaux de consolidation, en personnel et en matériel (pour la machine, les injecteurs, l'informatique et les équipements). 
  Les ressources directement allouées pour les années 2009 à 2012 étaient d’environ 1,1 milliard de francs suisses.
   
• Coût du premier long arrêt (LS1)
  Le coût du premier long arrêt (d’une durée de 22 mois) est estimé à environ 150 millions de francs suisses.
  Les travaux de maintenance et d’amélioration représentent environ 100 millions de francs suisses pour le LHC et 50 millions de francs suisses pour la chaîne d’accélérateurs hors LHC.

Quelle est la consommation d’électricité du LHC ?

La consommation totale d’électricité du LHC (et des expériences) équivaut à 600 GWh par an, et a atteint un pic de 650 GWh en 2012, quand le LHC a fonctionné à une énergie de 4 TeV. Pour la deuxième période d’exploitation, la consommation d’électricité est estimée à 750 GWh par an.
La consommation totale d’électricité du CERN est de 1,3 TWh par an ; par comparaison, la production totale d'énergie électrique est environ de 20 000 TWh dans le monde, de 3 400 TWh dans l’Union européenne, de 500 TWh en France, et de 3 TWh dans le canton de Genève.

Quelles sont les principales réussites du LHC à ce jour ?

• 10 septembre 2008 : Premier faisceau dans le LHC (voir communiqué de presse)
   
• 23 novembre 2009 : Premières collisions dans le LHC (voir communiqué de presse)
   
• 30 novembre 2009 : Record mondial avec une énergie par faisceau de 1,18 TeV (voir communiqué de presse)
   
• 16 décembre 2009 : Record mondial avec des collisions à une énergie de 2,36 TeV, et un volume important de données enregistrées (voir communiqué de presse)
   
• Mars 2010 : Premiers faisceaux à 3,5 TeV (19 mars) et premières collisions à haute énergie, à 7 TeV (30 mars) (voir communiqué de presse)
   
• 8 novembre 2010 : Premiers faisceaux d’ions plomb dans le LHC (voir communiqué de presse)
   
• 22 avril 2011 : Le LHC établit un nouveau record mondial d’intensité de faisceaux (voir communiqué de presse)
   
• 5 avril 2012 : Premières collisions à 8 TeV (voir communiqué de presse)
   
• 4 juillet 2012 : Annonce de la découverte au CERN d’une particule aux caractéristiques compatibles avec celles du boson de Higgs (voir communiqué de presse)

  Pour plus d'informations sur le boson de Higgs:
  Le boson de Higgs
  Higgs, mise à jour du 4 juillet
  La quête du boson de Higgs
   

• 28 septembre 2012 : Tweet du CERN : « Objectif atteint pour le LHC en 2012 avec 15 fb-1 (~un million de milliards) de collisions pour ATLAS et CMS »
   
• 14 février 2013 : A 7 h 24 du matin, les derniers faisceaux pour la physique sont extraits de la machine, ce qui marque la fin de la première période d'exploitation et le début du premier long arrêt (voir communiqué de presse)
   
• 8 octobre 2013 : Le prix Nobel de physique est attribué à François Englert et Peter Higgs pour « la découverte théorique du mécanisme contribuant à notre compréhension de l’origine de la masse des particules subatomiques et récemment confirmée par la découverte, par les expériences ATLAS et CMS auprès du LHC du CERN, de la particule fondamentale prédite par cette théorie » (voir communiqué de presse)

Voir: Dates clés du LHC.

Quels sont les principaux objectifs de la deuxième période d’exploitation du LHC ?

La découverte du boson de Higgs n'était que le premier chapitre de l'histoire du LHC. Le redémarrage de la machine cette année marque en effet le début d’une nouvelle aventure, car le LHC fonctionnera à une énergie pratiquement deux fois supérieure à celle de sa première exploitation. Grâce aux travaux effectués pendant le premier long arrêt, le LHC pourra désormais produire des collisions à 13 TeV (6,5 TeV par faisceau), ce qui permettra aux physiciens d’aller plus loin dans la compréhension de la nature de notre Univers.

Combien de temps durera l’exploitation du LHC ?

Il est prévu que le LHC fonctionne pendant les 20 prochaines années, avec plusieurs arrêts pour des travaux d'amélioration et de maintenance.

Non. L’énergie atteinte dans le LHC, bien qu'énorme pour un accélérateur, n’est que très modeste à l’échelle de la nature. Les rayons cosmiques, qui sont des particules produites dans l'espace intersidéral, entrent en collision avec des particules de l'atmosphère terrestre à des énergies beaucoup plus élevées que celles du LHC. Ces rayons cosmiques bombardent la Terre et les autres corps célestes depuis des milliards d'années, sans conséquences nocives, puisque toutes ces planètes et ces étoiles sont encore intactes après ces collisions répétées à haute énergie.

Pour en savoir plus sur la sûreté du LHC cliquez ici.

Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) est-il dangereux ?

Non. L’énergie atteinte dans le LHC, bien qu'énorme pour un accélérateur, n’est que très modeste à l’échelle de la nature. Les rayons cosmiques, qui sont des particules produites dans l'espace intersidéral, entrent en collision avec des particules de l'atmosphère terrestre à des énergies beaucoup plus élevées que celles du LHC. Ces rayons cosmiques bombardent la Terre et les autres corps célestes depuis des milliards d'années, sans conséquences nocives, puisque toutes ces planètes et ces étoiles sont encore intactes après ces collisions répétées à haute énergie.

Pour en savoir plus sur la sûreté du LHC cliquez ici.

Que s’est-il passé avec le LHC en 2015 et qu’est-il prévu dans le futur ?

Le Grand collisionneur de hadrons a redémarré à son énergie de collision habituelle de 13 téraélectronvolts (TeV) le 3 juin 2015. Au cours des mois de septembre et d'octobre, le CERN a progressivement augmenté le nombre de collisions. En novembre, comme lors de précédentes périodes d'exploitation du LHC, la machine a été reconfigurée. Les opérateurs ont mis en collision des ions lourds à la place des protons, avant l’arrêt technique d’hiver qui a débuté à la mi-décembre.

Suite à une brillant exploitation du LHC en 2016, le collisionneur le plus puissant du monde est de retour depuis le printemps 2017. Suite à une brève période de mise en service et de tests, les opérateurs du LHC ont commencé à collecter les données de physique de l’année 2016. Au cours des années à venir, les opérateurs du LHC prévoient d’augmenter l’intensité des faisceaux afin que la machine produise un nombre bien plus grand de collisions. Ceci va permettre aux physiciens d’avoir une meilleure compréhension de la physique fondamentale.

Pourquoi appelle-t-on parfois le boson de Higgs la « particule de Dieu » ?

Le boson de Higgs était la pièce manquante du Modèle standard de la physique des particules. Il faudra attendre le LHC pour qu’il puisse être observé expérimentalement, près de 50 ans après que la particule a été postulée pour la première fois. Le terme « God particle » (souvent traduit en français par « particule de Dieu ») apparaît pour la première fois en 1993 dans un ouvrage de vulgarisation scientifique, intitulé Une sacrée particule : si l’Univers est la réponse, quelle est la question ? (titre original : The God particle : if the Universe is the Answer, What is the Question ?), écrit par Leon Ledermann en collaboration avec Dick Teresi. Les deux auteurs racontent que le titre proposé initialement : « Goddamn Particle » (« sacrée particule », exprimant la difficulté d’observer cet objet insaisissable), a été refusé par l’éditeur. Repris par les médias, le terme « God particle » s’est répandu, bien qu’il soit jugé inapproprié par les scientifiques comme par les religieux.

Le CERN a-t-il pour objectif de prouver que Dieu n'existe pas ?

Non. Des personnes venus du monde entier travaillent au CERN en parfaite harmonie, quelles que soient leur origine, leur religion ou leur culture. La raison d’être du CERN est de mieux comprendre la nature dans l’intérêt de tous. Pour cela, les chercheurs du CERN utilisent les instruments scientifiques les plus imposants et les plus complexes qui soient pour sonder les constituants ultimes de la matière, les particules fondamentales. Dans ces instruments, les particules entrent en collision à une vitesse proche de celle de la lumière. Les physiciens disposent ainsi d’indices sur la façon dont les particules interagissent et peuvent mieux comprendre les lois fondamentales de la nature.

Pourquoi y a-t-il une statue de Shiva au CERN ?

Cette statue a été offerte par l'Inde pour célébrer sa collaboration avec le CERN, qui a débuté dans les années 1960 et se poursuit aujourd'hui. Dans la religion hindoue, la divinité Shiva est représentée dansant la danse cosmique (Najarata) symbolisant la force de vie (Shakti). Le choix par le gouvernement indien de cette représentation fait référence à la « danse cosmique » des particules subatomique étudiée par la physique moderne. L'Inde a le statut d’État Membre Associé au CERN. Le CERN est une organisation multiculturelle qui accueille des scientifiques originaires de plus de 100 pays et 680 instituts différents. La statue de Shiva est l'une des nombreuses statues et œuvres d'art disséminées aux quatre coins du CERN.

Que représente le logo du CERN ?

Le dessin du logo actuel du CERN représente les accélérateurs de particules. Le logo, tel qu'on le connaît aujourd'hui, date de 1968, année où il a été décidé de le modifier. Cliquez ici pour voir le premier logo du CERN. Quelque 114 nouveaux modèles avaient été proposés et nombre d'entre eux étaient inspirés des expériences du CERN. Le dessin final reprend les caractères d’origine, entourés par un synchrotron, des lignes de faisceau et des trajectoires de particules. Le logo actuel du CERN est en fait une version simplifiée de ce dessin.

Le CERN ouvrira-t-il une porte sur une autre dimension ?

Non, le CERN n'ouvrira pas de porte sur une autre dimension. Si les expériences menées au LHC prouvent l'existence de certaines particules, elles pourraient permettre aux physiciens de vérifier diverses théories relatives à la nature et à notre Univers, comme par exemple l'existence d'autres dimensions. Pour en savoir plus, cliquez ici.

Qu'en est-il des propos de Stephen Hawking sur la capacité potentielle du boson de Higgs de détruire l'Univers ?

Stephen Hawking ne parlait pas des travaux menés au LHC.

Le LHC observe la nature à un niveau fondamental, mais n’a pas d’effet sur celle-ci. Mesurer le boson de Higgs nous a permis de mieux appréhender les propriétés intrinsèques de l'Univers, et c’est de ces propriétés dont parlait Stephen Hawking. Les caractéristiques du boson telles qu'elles ont été mesurées suggèrent que l'Univers se trouve dans un équilibre quasi-stable, mais sa durée de vie est si longue (10¹⁰⁰ années) qu’elle dépasse notre entendement. Une conférence donnée dans le cadre du programme TEDxCERN donne plus d'explications sur ce sujet : http://tedxcern.web.cern.ch/video/2013/what-higgs-might-mean-fate-universe

Pourquoi le site du CERN apparaît-il lorsque je tape certains mots-clés dans Google Maps ?

Les associations entre ces mots-clés et le CERN n'ont en fait aucun fondement réel. Elles peuvent êtres dues à des utilisateurs qui renomment des lieux sur leurs cartes, à des personnes qui créent des cartes sur mesure en utilisant ces critères de recherche ou à de nombreuses recherches sur ces mots-clés.

Le LHC peut-il avoir une influence sur la météo et les phénomènes naturels ?

Non. Les aimants du CERN produisent un champ magnétique qui reste confinés à l’intérieur. Ils ne peuvent donc pas influencer le champ magnétique terrestre ni la météo. La puissance des aimants du LHC (8,36 teslas) est comparable à celle des scanners TEP ou des machine d’IRM (qui peut aller jusqu’à 9,4 teslas), qui sont régulièrement utilisés pour des examens du cerveau.

Le CERN va-t-il créer un trou noir ?

Le LHC ne créera pas de trou noir au sens cosmologique du terme. Cependant, selon certaines théories, de minuscules trous noirs « quantiques » pourraient se former. L’observation d’un tel phénomène serait un véritable événement, car il nous permettrait de mieux comprendre l’Univers, et ne présenterait aucun danger. Pour en savoir plus, cliquez ici.

J’ai vu une vidéo à propos d’un étrange rituel au CERN, est-ce réel ?

Non, cette vidéo datant de l'été 2016 est une fiction, illustrant une mise en scène. Les personnes qui sont autorisées à accéder au site laissent occasionnellement leur sens de l’humour aller trop loin, et c’est exactement ce qui est arrivé avec cette vidéo. Le CERN ne cautionne pas ce genre de parodie, qui enfreint les règles professionnelles du CERN.

Le LHC provoque-t-il des tremblements de terre ?

Le LHC ne provoque pas de tremblements de terre. Les tremblements de terre sont un danger naturel causé par le mouvement des plaques tectoniques. Lorsque ces plaques rigides se rapprochent ou s'éloignent les unes des autres, ou coulissent les unes par rapport aux autres, elles peuvent se bloquer et créer d'énormes tensions à leurs limites, par exemple au milieu de l'océan Atlantique, ou le long de la côte du Pacifique. Lorsque les plaques se débloquent brutalement, ces tensions se libèrent, ce qui génère des quantités énormes d'énergie et provoque un tremblement de terre.

Plusieurs millions de tremblements de terre se produisent sur Terre chaque année, mais la plupart sont trop faibles pour être détectés sans l'aide d'équipements de surveillance. En aucun cas le LHC ne peut déclencher un tremblement de terre et il n'existe aucune corrélation entre l'exploitation du LHC et le déclenchement d'un tremblement de terre.

Anecdote :

Du fait de leur sensibilité aux micro-déplacements, certains instruments de haute précision du CERN sont capables de détecter des tremblements de terre. Dans le LHC, on compte plus d'une centaine de capteurs de nivellement hydrostatique surveillant les déplacements relatifs des aimants qui guident les faisceaux de particules le long de l'anneau de 27 km du LHC. Ces capteurs peuvent détecter les ondes émises par des tremblements de terre même à une distance très éloignée après qu'elles ont traversé la croûte terrestre. Un autre outil, l'inclinomètre laser de précision, sert à mesurer les petits mouvements des structures souterraines, susceptibles de modifier le positionnement précis des détecteurs de particules du LHC. Cet outil est lui aussi suffisamment sensible pour détecter des tremblements de terre.

Le CERN porte un programme ambitieux pour soutenir l’éducation et la culture, en particulier au travers de stages pour les enseignants et d’universités pour les jeunes. Les visites du Laboratoire participent de cet effort et, à ce titre, les visites sont gratuites.

Pour en savoir plus, visitez visit.cern/fr, avec les questions fréquentes des visites.

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