Matière et Univers

Le détecteur de particules ATLAS du CERN prêt pour un nouveau défi

Le CERN offre une mise à jour majeure à son plus grand accélérateur de particules LHC du monde. À partir de 2027, il pourra produire beaucoup plus de collisions de particules qu’aujourd’hui. Les chercheuses et chercheurs de l’Université de Berne préparent le détecteur de particules ATLAS à ce nouveau défi et participent à la recherche de la « nouvelle physique ».

Le Grand collisionneur de hadrons (Large Hadron Colliger, LHC) du CERN, à Genève, est l’accélérateur de particules le plus puissant du monde. Il permet d’accélérer des protons (éléments constitutifs des atomes) à une vitesse proche de celle de la lumière, puis de les faire entrer en collision. Les collisions de protons libèrent d’énormes quantités d’énergie pouvant donner naissance à de nouvelles particules. Il est également possible de reconstituer les premiers instants qui ont suivi le big bang. Les collisions présentent donc un grand intérêt pour les chercheur·euse·s dans l’étude des particules élémentaires, de la matière noire, de l’antimatière et d’autres secrets de l’Univers.

Les détecteurs de particules jouent un rôle central dans la recherche des particules élémentaires. Ils enregistrent les particules nées des collisions. Les données de ces détecteurs permettent ainsi d’en savoir plus sur les particules apparues et de découvrir éventuellement des particules encore inconnues. ATLAS est le plus grand détecteur de particules du LHC. Membre fondateur de l’expérience ATLAS, l’Université de Berne, en collaboration avec l’Albert Einstein Center for Fundamental Physics (AEC) et le Laboratoire de physique des hautes énergies (LHEP), reste fortement impliquée dans son fonctionnement et son développement.

Le LHC devient le LHC à haute luminosité

Le LHC est à l’arrêt depuis 2018 pour des travaux d’équipement et de maintenance. Il reprendra du service en 2021 pour un dernier « run » avant d’être de nouveau modernisé de 2025 à 2027. Dans le cadre cette mise à niveau majeure baptisée LHC à haute luminosité ou High Luminosity LHC (HiLumi), la puissance de l’accélérateur sera considérablement accrue par une augmentation de la luminosité. La luminosité, qui permet de mesurer le nombre de collisions susceptibles de se produire par unité de surface et en un temps donné, est un indicateur essentiel de la puissance d’un accélérateur. La probabilité qu’une seule collision proton-proton fasse apparaître une particule élémentaire encore inconnue est très faible. C’est la raison pour laquelle un très grand nombre de collisions et les données correspondantes sont nécessaires pour espérer en découvrir un jour. Avec une luminosité accrue, davantage de données sont produites, ce qui augmente les chances d’observer de nouveaux phénomènes rares. Le HiLumi augmentera le nombre de collisions selon un facteur compris entre cinq et sept.

Le LHC à haute luminosité

La mise à niveau qui transformera le LHC en HL-LHC.

ATLAS se prépare pour le HiLumi

Pour qu’il puisse suivre la cadence de l’accélérateur nouvelle version, le détecteur ATLAS doit également être mis à niveau. « L’intégralité du détecteur interne est remplacée », explique Michele Weber, directeur du Laboratoire de physique des hautes énergies (LHEP) et responsable du groupe ATLAS de l’Université de Berne. Le nombre accru de collisions implique que les détecteurs internes d’ATLAS doivent avoir une résolution beaucoup plus élevée et être aussi plus résistants aux radiations – pendant 15 à 20 ans. « Dans le cadre de la mise à niveau du HiLumi, nous participons activement au développement des nouveaux détecteurs les plus internes, situés au plus près des collisions. C’est là que nous enregistrons les traces des particules chargées et nous voulons savoir le plus précisément possible où la collision a eu lieu », poursuit Michele Weber. Le CERN peut également compter sur le savoir-faire de l’Université de Berne pour le traitement des énormes quantités de données que le LHC à haute luminosité produira. « La lecture des données avec des fibres optiques est l’un de nos domaines de spécialisation », précise Michele Weber.

Trouver la nouvelle physique

Au LHEP, on est fin prêt pour la mise à niveau du LHC. « Nous avons consacré plusieurs années au développement des nouveaux capteurs, cette phase est maintenant achevée. Pour certaines pièces, nous avons déjà commencé la construction, qui durera trois à quatre ans. Nous devons maintenant poursuivre la construction, tester les prototypes et tout monter », ajoute Michele Weber.

Qu’attend-on de cette mise à jour du LHC ? « L’objectif reste de trouver de nouvelles particules élémentaires », complète Michele Weber. « Nous avons le modèle standard de la physique des particules. Il décrit remarquablement bien les particules élémentaires connues et leurs interactions. Mais nous savons aussi que ce modèle standard ne peut pas être expliquer toute la physique. » Il existe de nombreux autres éléments physiques qui n’entrent pas dans le cadre du modèle standard, par exemple la gravitation ou la matière noire.

Michele Weber : « Pour combler ces lacunes, la théorie de la supersymetrie, par exemple, est passionnante. La supersymetrie prédit un monde supersymetrique composé de nouvelles particules pour toutes les particules déjà connues. « La question est : où sont les nouvelles particules élémentaires ? Elles peuvent être juste à côté, mais aussi très loin. Mais si on ne cherche pas, on ne trouve pas. Le HiLumi augmente les chances de trouver de nouvelles particules et donc la nouvelle physique avec ATLAS. »