Comment le Cern va tenter de découvrir de nouvelles dimensions grâce à son accélérateur de particules

Relancé en avril, l'accélérateur de particules de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (Cern), près de Genève, a désormais atteint sa puissance maximale de 13 téra électron-volts (TeV)). Depuis la rentrée, les chercheurs sont désormais en mesure de dépasser les découvertes du premier tour d’expériences qui avait révélé le boson de Higgs.

Soutenu en France par le Centre national de la recherche scientifique (CNRS) et le Commissariat à l’énergie atomique (CEA), le dispositif entre dans sa deuxième phase d'exploitation. Parmi les nombreuses recherches réalisées, les scientifiques espèrent découvrir la preuve de l’existence de "nouvelles dimensions" encore inconnues. Vous n'y comprenez rien ? Francetv info vous apporte des éléments de réponse en sept étapes. 

1C'est quoi un accélérateur de particules ?

C’est un gigantesque tunnel en forme d'anneau dans lequel on envoie des particules à pleine vitesse, augmentant ainsi leur puissance. Appelé le Grand Collisionneur de Hadrons (Large Hadron Collider, ou LHC), celui de Genève mesure 27 km de circonférence, et c’est "en fait la plus grande piste de course du monde", explique le site du LHC. A 100 m sous terre, les particules sont lancées à une vitesse proche de celle de la lumière en sens opposés avant d’entrer brutalement en collision.

Quand elles se rencontrent, leur collision permet d’observer de nouveaux phénomènes microscopiques. Grâce à des détecteurs géants, comme Atlas ou le CMS, on peut alors découvrir de nouvelles particules élémentaires. C’est le cas du boson de Higgs, une particule jusqu’alors jamais observée et découverte en 2012 grâce à l’accélérateur.

Le boson de Higgs expliqué en 3 minutes

2A quoi sert-il maintenant ?

A peu près à la même chose. Sauf qu’après deux ans de travaux, l’accélérateur est maintenant à sa puissance maximale, soit 13 TeV. Et ça change tout, car plus les collisions sont puissantes, plus on peut observer des éléments microscopiques et des réactions jusqu'alors invisibles. "Avec plus d’énergie, on a plus de chances de découvrir des choses", explique Sandrine Laplace, chercheuse au CNRS qui travaille actuellement sur Atlas.

Si les collisions ont repris en avril dernier, leur rythme est maintenant plus soutenu, et les premières données commencent à s'accumuler. Car la découverte du boson de Higgs, récompensée par le Nobel de physique, a soulevé de nouvelles questions.

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La masse du boson, extrêmement faible, ne peut pas être expliquée par le "modèle standard qui décrit toutes les particules connues et leurs interactions. "L’existence du boson de Higgs à une masse de 125 giga électron-volts (GeV) est totalement improbable dans le cadre du seul modèle standard", explique Sandrine Laplace. C’est comme si un glaçon survivait dans un feu", car sa masse est trop faible pour se maintenir seule.

Il faut donc élaborer un nouveau modèle qui résoudrait ce mystère et pourrait potentiellement intégrer l’influence de la gravitation sur la masse des particules.

Le but des expériences du Cern est d'essayer de dépasser ce modèle standard pour y ajouter, entre autres, la gravitation. On appelle cela la "nouvelle physique".

3Mais pourquoi chercher de nouvelles dimensions ?

C’est là le nœud du problème : comment lier la gravitation, presque indétectable au niveau des particules, aux interactions entre les particules que l'on peut facilement identifier ? C'est le cas, par exemple, de l'interaction électromagnétique, qui permet aux particules d'échanger de l'électricité, du magnétisme ou encore de la lumière.

Plusieurs théories considèrent que si la gravitation est si difficile à détecter, c’est parce qu’elle "s’échappe" en traversant d’autres dimensions que nous ne connaissons pas. Pour l’homme, elles sont invisibles, cachées, et ne sont pas incluses dans nos modèles physiques à quatre dimensions : la largeur, la longueur, la profondeur et le temps.

4Si on ne peut pas les voir, comment peut-on prouver leur existence ?

Ce n’est pas parce qu’on ne les voit pas que ces dimensions n’existent pas. Prenons un exemple : un funambule ne peut voyager sur un câble que d’avant en arrière, donc sur une seule dimension. Une fourmi, elle, pourra déambuler aussi de gauche à droite, tourner autour du fil, et aura donc accès à d'autres dimensions.

En utilisant le LHC, les chercheurs espèrent donc "zoomer" suffisamment pour peut-être découvrir ces nouvelles dimensions que la gravitation semble traverser. Et elles seraient nombreuses : certaines théories comptent une douzaine de dimensions au total, comme "enroulées" autour des quatre connues.

Une des manières de trouver ces dimensions serait d’utiliser la collision de protons à une puissance extrême, pour créer de microscopiques trous noirs.

5Des trous noirs ? Ce n’est pas un peu dangereux ?

Pas de panique, ces "micro-trous noirs" n’ont rien à voir avec le gigantesque aspirateur au centre de notre galaxie. Ceux-là sont microscopiques.

Et ils sont pour l’instant théoriques : si on arrive à les créer, on pourra alors observer les interactions de gravitation diminuer, comme si cette gravitation se diluait en passant d'une dimension à une autre. Si cela est constaté, alors adieu le modèle standard. "Réussir à créer ces trous noirs vérifierait nos prédictions théoriques sur les dimensions supplémentaires", résume la physicienne Sandrine Laplace.

6Si on découvre de nouvelles dimensions, est-ce qu'on ouvre la porte vers des mondes parallèles ?

C’est très peu probable. Par "mondes parallèles", nous pensons à de la science-fiction où les réalités et les possibilités sont multiples. Et ça, ce n’est pas ce que recherche le Cern. "[Cette interprétation] ne peut pas être vérifiée par la science et tient plus de la philosophie ; ce n’est pas ce que nous décrivons quand nous parlons d’univers parallèles, explique Mir Faizal, un physicien du Cern qui codirige l’expérience. Dans un article du Daily Mail (en anglais), il ajoute que les mondes que recherchent les scientifiques sont plutôt "des univers réels dans des dimensions supplémentaires".

7Et si on n'arrive pas à les déceler, que se passera-t-il ?

Il est encore trop tôt pour savoir si cette nouvelle phase d’expériences sera fructueuse. "Pour l’instant, tous les phénomènes que l’on a observés sont explicables par le modèle standard", souligne Sandrine Laplace. Et aucune théorie de nouvelle physique n’a pu être vérifiée. Les "micro-trous noirs" ne sont pas les seuls éléments qui peuvent permettre de découvrir la nouvelle physique.

"On cherche plusieurs solutions à la fois", explique la physicienne, et d’autres pourraient se révéler plus fécondes. Il ne sera en tout cas plus possible d’augmenter la puissance de l’accélérateur, arrivé au plafond de ses capacités. "C’est un peu notre dernière chance", déplore la chercheuse.

Elle reste toutefois optimiste : "On a ouvert la porte d’une nouvelle énergie, on espère donc que la nouvelle physique nous saute aux yeux assez rapidement. Si cela n’arrive pas, il faudra reprendre les recherches, et cela prendra plusieurs années. Mais nous sommes persuadés que la nouvelle physique est au coin de la rue." Dans tous les cas, il faudra attendre le mois de décembre pour connaître les premiers résultats officiels.