Ça bouge au CERN !

Le centre européen de recherches nucléaires est coutumier de la découverte de nouvelles particules, toutes plus éphémères les unes que les autres au point d’instiller un doute: à quoi ces particules ont-elles servi, existent-elles vraiment ? La dernière en date, donc, est composée de 2 quarks charmés et d’un quark down. Rappelons que les quarks sont des particules élémentaires, des constituants fondamentaux de la matière qui se déclinent en 6 types que les physiciens ont poétiquement appelés «saveurs»: up, down, charme, étrange, top et bottom. En général, ils s’assemblent par 2 ou 3 pour former les particules de la matière. En paire, ils forment les mésons (particules très instables comme les pions ou les kaons); en trio, ils forment les baryons dont les plus connus sont les protons et les neutrons.

La plupart des particules dans lesquelles interviennent les quarks sont donc instables et éphémères – à l’exception évidemment des protons et neutrons, très éphémères même puisque l’échelle de temps est ici de l’ordre de 10^-10 voire 10^-20 seconde ! Pour les produire puis les repérer, il faut des accélérateurs de particules comme le LHC du CERN dans lesquelles des particules de haute énergie (ici, des protons) entrent en collision. S’il n’est pas possible d’observer directement les particules instables, les stables produites lors de ces collisions fournissent des renseignements sur les plus instables nées en même temps qu’elles. L’expérience LHCb dévolue à ces recherches a déjà produit 80 de ces particules éphémères.

La dernière en date – présentée lors de la fameuse conférence annuelle de Morions (1) – est une particule composée de 2 quarks lourds, charmés, et d’un quark down. Une particule presque semblable au proton (celui-ci ayant 2 quarks up et un down), mais 4 fois plus lourde. C’est maintenant au tour des théoriciens de s’emparer des caractéristiques de cette particule afin de voir si elles peuvent s’intégrer aux modèles théoriques qui tentent d’expliquer l’interaction forte, une des quatre forces fondamentales, qui lie les quarks entre eux. Cette dernière en effet n’agit que sur les quarks et donc sur les particules qui en sont composées tels le neutron et le proton. Autant dire qu’elle est responsable de la cohésion des noyaux atomiques: sans elles, les protons se repousseraient sous l’impulsion de la force électromagnétique (les protons sont tous de même charge, positive). Et nous n’existerions donc pas !

Aussi intéressante soit-elle, l’annonce de la découverte de cette particule a été éclipsée par une autre: le transport sur quelques kilomètres d’une quantité d’antimatière !

Rappelons que le CERN est l’unique endroit au monde où est produit en flux continu puis stocké de l’antimatière – prédite en 1928 par Paul Dirac –, plus précisément des antiprotons. Les particules d’antimatière sont en tous points identiques à leurs homologues de matière à l’exception de leur charge électrique et de leur moment magnétique qui sont inversés. Ainsi, un antiproton est négatif, un antiélectron est positif. Comment produire ces antiparticules ? Comme elles n’existent pas dans la nature (sauf dans les rayons cosmiques), il faut les produire lors d’interactions dans le noyau provoquées par des collisions dans des accélérateurs de particules. Lors de la collision d’un faisceau de protons avec une cible métallique, une multitude de particules secondaires sont produites, dont des antiprotons. Champion du monde, le CERN est capable de produire 400 millions d’antiprotons par heure dont 10% sont capturés. Notamment pour fabriquer des antiatomes d’hydrogène.

Une fois produits, les antiprotons doivent être capturés et conservés pour être étudiés. Le CERN possède 2 instruments pour ce faire. D’abord un Décélérateur d’antiprotons (AD). En effet, plus leur énergie est basse, plus il est facile de les stocker. Ce qui se fera ensuite dans l’Anneau d’antiprotons de basse énergie où ils peuvent être gardés plus d’une année. Un exploit car au contact de la matière, l’antimatière s’annihile immédiatement en un éclair de particules énergétiques. Il faut donc la conserver dans un vide poussé et loin de toute paroi de matière, ce qui se fait par des champs électromagnétiques.

Pourquoi les transporter ? L’expérience BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) a pour but de comparer les moments magnétiques des protons et antiprotons dans l’espoir de comprendre pourquoi il y a un excédent de matière dans l’univers par rapport à l’antimatière. Elle est évidemment localisée près du LHC et autres accélérateurs du campus du CERN. Toutes ces machines génèrent des fluctuations du champ magnétique qui, même si elles sont minimes (au maximum un milliardième de tesla, soit 20 000 fois moins que le champ magnétique terrestre), sont suffisantes pour troubler les mesures effectuées sur les antiprotons. D’où l’idée de les transporter loin du campus, essentiellement vers 2 laboratoires allemands dans un premier temps – à Düsseldorf et Hanovre – associés au CERN. Les antiprotons – 92 exactement ! – ont été enfermés dans un piège suffisamment petit – une tonne tout de même – pour être transporté dans un camion, composé d’un aimant permanent, d’un système de refroidissement à l’hélium liquide et d’une chambre à vide où sont stockés les antiprotons. Le tout capable de supporter les chocs et vibrations inhérents à la conduite d’un véhicule, y compris les nids de poule dans la chaussée… Pour aller plus loin que le campus genevois, il va falloir un dispositif qui reste froid pendant plusieurs heures donc ajouter un groupe électrogène pour alimenter la cryogénie. Ce qui est étudié pour une prochaine étape.

Le scénario du film (ou du livre de Dan Brown) Anges et Démons serait-il en passe de se réaliser ? Pour mémoire, dans le film, une fiole d’antimatière est dérobée au CERN et des terroristes menacent de la faire exploser sous le Vatican. Une telle explosion est-elle envisageable ? Si la centaine d’antiprotons, s’annihilaient en cours de route, à la faveur d’un accident de circulation par exemple, l’énergie libérée serait quasi nulle, un milliard de fois moindre que celle reçue par notre peau à chaque seconde en provenance du rayonnement solaire. «Le déplacement des antiparticules ne serait pas plus dangereux que tout autre transport routier sur la voie publique», conclut le CERN. Désolé pour les fans de Dan Brown.