Le Grand collisionneur de hadrons expliqué
26 mai 2024Saison 3Épisode 5
Equedia Investment Letter
C'est massif.
Il mesure 27 kilomètres de long et se trouve à 100 mètres sous terre.
Il a fallu des milliers de personnes de plus de 100 pays et 30 ans pour le construire.
Il coûte plus de 5 milliards de dollars.
C'est le plus grand instrument scientifique jamais construit par l'homme.
On a dit qu'il pouvait ouvrir des portails vers d'autres dimensions et même créer des trous noirs.
Et il a été mis en marche.
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C'est massif.
Il mesure 27 kilomètres de long et se trouve à 100 mètres sous terre.
Il a fallu des milliers de personnes de plus de 100 pays et 30 ans pour le construire.
Il coûte plus de 5 milliards de dollars.
C'est le plus grand instrument scientifique jamais construit par l'homme.
On a dit qu'il pouvait ouvrir des portails vers d'autres dimensions et même créer des trous noirs.
Et il a été mis en marche.
Alors, qu'est-ce que c'est ?
Il s'appelle le Large Hadron Collider (LHC).
Construit par l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire, mieux connue sous le nom de CERN, c'est le plus grand système de vide opérationnel au monde et le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules – un long tube circulaire composé de tuyaux spéciaux aussi vides que l'espace interstellaire et plus froids que l'espace lui-même.
En fait, la température à l'intérieur de ces tuyaux est un incroyable -271,3°C — à quelques degrés seulement de la température où tout mouvement moléculaire cesse : le zéro absolu.
Pourtant, il peut générer une température stupéfiante de 5 billions de degrés Celsius – plus chaude qu'une explosion de supernova et 366 000 fois plus chaude que le centre du soleil.
Il n'est pas étonnant que certains croient qu'il peut créer un trou noir et faire exploser le monde.
Mais qu'est-ce que c'est vraiment ?
C'est un accélérateur de particules massif.
Ne vous inquiétez pas ; les accélérateurs de particules existent depuis les années 1930.
Ils sont utilisés pour produire des particules énergétiques afin d'explorer ce qui compose le centre des atomes, la structure du noyau atomique.
Ces accélérateurs peuvent avoir la forme d'anneaux, où les particules tournent en cercle, ou de lignes droites, où les particules se déplacent d'un bout à l'autre.
Ils fonctionnent en utilisant des champs électriques pour pousser les particules dans une direction, créant plus d'énergie et les faisant se déplacer plus rapidement.
En théorie, la longueur d'un accélérateur, tel qu'un accélérateur de particules, est directement liée à l'énergie et à la vitesse des particules qu'il peut produire.
Des accélérateurs plus longs permettent une plus grande accélération, ce qui signifie que les particules peuvent atteindre des vitesses plus élevées. Cela est dû au fait que les particules sont accélérées plusieurs fois lorsqu'elles traversent la longueur de l'accélérateur, gagnant plus de vitesse à chaque passage.
Avec ses 27 kilomètres de long, le Grand collisionneur de hadrons accélère les protons à une vitesse proche de celle de la lumière avant de les faire entrer en collision.
Mais pourquoi ?
Les protons sont l'une des plus petites particules que nous connaissions aujourd'hui – juste après les quarks et les leptons (plus de détails un peu plus loin).
Pour vous donner une idée, un proton est environ 100 000 fois plus petit que l'atome dans lequel il réside.
Imaginez un grain de sable mesurant généralement entre 0,5 et 2 millimètres. Considérez maintenant qu'un proton est environ 100 000 fois plus petit que ce grain de sable. Si un grain de sable avait la taille de la Terre, un proton aurait la taille d'une petite bille à cette échelle.
Ce n'est même pas le plus fou.
À l'intérieur du Grand collisionneur de hadrons, deux faisceaux de particules de haute énergie transportant des protons voyagent à une vitesse proche de celle de la lumière avant d'être mis en collision. Les faisceaux voyagent dans des directions opposées dans des tubes de faisceau séparés, à l'intérieur d'un espace de la largeur d'un cheveu humain.
Ce brin de cheveu peut sembler petit, mais un proton comparé à la largeur de votre cheveu est comme un grain de sel comparé à la Terre entière !
Faire entrer en collision des protons voyageant à une vitesse proche de celle de la lumière est extrêmement difficile – c'est comme tirer deux aiguilles à 10 kilomètres de distance avec une telle précision qu'elles se rencontrent à mi-chemin et se fendent mutuellement.
Alors, comment font-ils cela ?
Pour s'assurer que les protons restent sur la bonne voie, un anneau de 27 km d'aimants supraconducteurs maintient des champs magnétiques, ce qui aide à diriger et à focaliser ces particules.
Les électroaimants sont construits à partir de bobines de câbles électriques spéciaux qui fonctionnent à l'état supraconducteur, conduisant efficacement l'électricité sans résistance ni perte d'énergie. Cela nécessite de refroidir les aimants à – 271,3°C – une température plus froide que l'espace.
Juste avant la collision, un autre type d'aimant est utilisé pour « presser » les particules les unes contre les autres, augmentant ainsi les chances de collisions.
Tout ce processus demande une quantité d'énergie folle, donc tout doit être parfait, comme un lancement de fusée.
En fait, le Grand collisionneur de hadrons utilise environ 120 mégawatts de puissance lorsqu'il fonctionne – c'est suffisant pour alimenter une petite ville !
Bien sûr, il serait absurde de penser qu'ils ne tirent que quelques protons pour que tout cela fonctionne.
Pourquoi risquer de tirer une seule aiguille pour en toucher une autre à 10 km de distance ? Les chances que ces aiguilles se touchent seraient assez minces.
Et c'est le cas.
Alors, comment font-ils ?
Eh bien, comme vous l'avez probablement deviné, ils tirent plus d'un proton à la fois – des milliards, en fait.
En moyenne, chaque faisceau contient 100 milliards de protons envoyés dans des directions opposées – c'est 100 milliards de protons contre 100 milliards de protons !
Mais tous ces protons ne sont pas tirés en même temps.
Ils arrangent ces protons en paquets, avec environ 2 808 paquets par faisceau, chacun contenant des milliards de protons.
Avec 2 808 paquets par faisceau, il y a environ 208 320 paquets circulant dans le collisionneur à tout moment.
Et devinez combien de collisions se produisent réellement par croisement ?
Seulement 50 à 60 protons.
C'est pourquoi ils font cela encore et encore – un incroyable 30 millions de fois… par seconde !
Avec près de 3000 paquets, chacun contenant plus de 100 milliards de protons, le Grand collisionneur de hadrons crée 1 milliard de collisions par seconde !
Mais pourquoi ?
Est-ce pour ouvrir une autre dimension ? Est-ce pour créer un trou noir ? Est-ce pour faire venir des esprits maléfiques ?
Peut-être…
Mais ce n'est pas techniquement et scientifiquement pour cela qu'il a été conçu.
Il a été conçu pour étudier ce qui a créé l'Univers – pour comprendre ce qui a pu se passer près du début de l'Univers, lorsque le Big Bang se serait produit.
Comment le plus petit des petits a-t-il pu créer une quantité d'énergie si énorme pour créer l'Univers tel que nous le connaissons aujourd'hui ?
Inquiet à propos du CERN ?
Je sais ce que vous pensez : si nous réussissons à reproduire le Big Bang, la plus grande explosion de l'histoire de l'Univers, cela ne nous anéantirait-il pas ?
Eh bien, il n'y a pas lieu de s'inquiéter – pour l'instant.
Bien qu'il ait été conçu pour reproduire le moment le plus proche du Big Bang, lorsque deux protons entrent en collision dans le Grand collisionneur de hadrons, l'énergie libérée est de l'ordre d'un milliardième de joule.
C'est similaire à l'énergie cinétique d'un moustique en vol.
En comparaison, un éclair libère environ 5 milliards de joules d'énergie, soit environ 1 million de fois plus d'énergie qu'une seule collision proton-proton dans le Grand collisionneur de hadrons.
Cependant, les scientifiques ont découvert que lorsque les protons entrent en collision à des vitesses incroyablement rapides, ils libèrent tellement d'énergie qu'elle peut se transformer en masse physique.
Si l'énergie est suffisamment élevée, elle peut se transformer en particules mystérieuses ou inconnues – et c'est ce que les scientifiques recherchent.
Vous voyez, les mathématiques sont une chose très intéressante qui peut prédire et résoudre de nombreuses questions sans réponse.
Par exemple, la théorie de la relativité d'Albert Einstein, mieux connue sous le nom de E=mc 2, n'a été prouvée que des décennies après sa première publication.
En 1869, le chimiste russe Dmitri Mendeleev a créé un cadre qui a évolué pour devenir le tableau périodique moderne. Mais lorsqu'il l'a élaboré, il a laissé des emplacements pour des éléments qu'il savait exister mais qui n'avaient pas encore été identifiés. Il a même anticipé les caractéristiques de certains éléments non découverts, leur attribuant des noms provisoires comme « eka-aluminium » pour un élément ressemblant à l'aluminium. Des années plus tard, l'eka-aluminium a été identifié comme le gallium. Malgré quelques incohérences, sa théorie des « éléments manquants » s'est avérée très précise.
Ainsi, tout comme nous avons découvert les éléments du tableau périodique grâce aux mathématiques, pourrait-il y avoir des particules que nous n'avons pas encore découvertes et qui pourraient changer notre façon de voir l'Univers ?
La réponse est oui.
Le Modèle Standard
Imaginez diviser quelque chose encore et encore jusqu'à obtenir quelque chose qui ne peut plus être divisé.
Ce sont ce qu'on appelle les particules élémentaires – les blocs de construction les plus fondamentaux de la matière et de l'énergie dans l'Univers.
Vous avez entendu parler des électrons et des photons – ce sont des particules élémentaires.
Tout comme les chimistes s'appuient sur le tableau périodique, les physiciens s'appuient sur le Modèle Standard pour ces particules élémentaires – une théorie en physique des particules qui décrit les particules et les forces fondamentales qui composent l'Univers.
Les fermions sont les particules qui composent la matière. Ils comprennent les quarks (qui composent les protons et les neutrons) et les leptons (tels que les électrons), les plus petits des petits tels que nous les connaissons aujourd'hui.
En fait, les quarks et les leptons sont si petits qu'il n'y a aucune preuve qu'ils aient une taille quelconque. Bizarre, n'est-ce pas ?
Cependant, les physiciens des collisionneurs Tevatron de Fermilab et LEP et LHC du CERN ont fixé une limite à la taille des quarks et des leptons : Ils doivent être plus petits qu'environ 0,001 fois la taille d'un proton.
Les bosons, d'autre part, sont des particules qui médient les forces entre les fermions. En termes plus simples, ce sont les porteurs de forces et d'énergie dans l'Univers.
Cependant, avant 2012, le Modèle Standard prédisait qu'il devrait y avoir une autre particule – une particule qui était probablement présente près du début de l'Univers mais qui n'a pas encore été trouvée.
Ils ont appelé cette particule mystérieuse la « particule de Dieu », autrement connue sous le nom de boson de Higgs.
L'existence du boson de Higgs était nécessaire pour expliquer comment les particules acquièrent une masse – sans sa confirmation, le Modèle Standard serait incomplet.
Voici le lauréat du prix Nobel Peter Higgs décrivant ce que c'est.
https://x.com/NobelPrize/status/1779190652175011900
En termes plus simples, cette « particule de Dieu » est la raison pour laquelle tout ce que nous ressentons existe.
Pour confirmer l'existence du boson de Higgs, les physiciens devaient concentrer suffisamment d'énergie en un seul endroit pour le créer – par exemple en faisant entrer en collision deux protons à une vitesse proche de celle de la lumière.
C'est l'une des principales raisons – du moins, comme ils l'ont publiquement déclaré – pour lesquelles le Grand collisionneur de hadrons a été créé.
En 2012, après avoir fait entrer en collision des protons à plusieurs reprises au Grand collisionneur de hadrons, le boson de Higgs a été découvert.
Mais comment ?
C'est là que les mathématiques jouent un rôle essentiel – et pourquoi des milliers de scientifiques ont été nécessaires pour confirmer cela.
Vous voyez, lorsque les protons entrent en collision, créant les particules mystérieuses spéciales de Dieu, elles n'existent que brièvement avant de redevenir des particules normales.
C'est pourquoi le Grand collisionneur de hadrons dispose de certains des capteurs et détecteurs les plus avancés jamais construits pour la recherche en physique des particules.
Lorsque ces particules explosent et se dirigent vers les capteurs, les capteurs enregistrent exactement où ces particules ont frappé.
En travaillant à rebours et en utilisant la physique la plus complexe pour reconstituer ce qui s'est passé au moment de la collision afin de confirmer la particule mystérieuse, les physiciens ont pu détecter un petit signal.
Cela ressemble à ceci :
Et oui, c'est ça. Ce signal est ce qui a confirmé la présence du boson de Higgs.
Des milliards de dollars, 100 pays et des milliers de scientifiques ont abouti à la création de ce signal dans un graphique.
Si vous pensez vraiment pouvoir comprendre la physique avancée, n'hésitez pas à en apprendre davantage sur ce « signal » ici.
C'est quoi ce signal !?!
Sûrement, les scientifiques n'auraient pas dépensé autant de temps et d'argent juste pour créer un signal dans un graphique.
Sûrement, ils essayaient au moins d'ouvrir des portails ou d'invoquer des démons.
Eh bien, malgré une découverte plutôt banale en ce qui concerne la vie réelle, le sous-produit du travail effectué au CERN a en fait généré une tonne d'applications concrètes.
Celles-ci incluent les traitements contre le cancer, les voitures électriques, l'imagerie médicale et même le World Wide Web.
Peut-être qu'éventuellement, la découverte faite à l'aide du Grand collisionneur de hadrons pourrait propulser notre monde vers un nouveau domaine de découverte. Peut-être peut-il nous aider à mieux comprendre la matière noire ou même l'anti-gravité et l'énergie du point zéro.
Et bien qu'il y ait des sceptiques quant à ce que le Grand collisionneur de hadrons peut nous apprendre, cela n'empêche pas les scientifiques de faire progresser leurs recherches.
En fait, les scientifiques cherchent déjà à développer un collisionneur encore plus grand en Europe – un de 100 km de long et appelé de manière insipide le Future Circular Collider.
Devinez qui d'autre cherche à construire son propre collisionneur de 100 km ?
C'est exact, la Chine.
« La construction du plus grand collisionneur de particules au monde pourrait commencer en Chine dans trois ans, bien qu'il doive encore obtenir l'approbation du gouvernement et des financements, a déclaré un scientifique de premier plan.
Le collisionneur circulaire électron-positron (CEPC) de 36 milliards de yuans (5 milliards de dollars US), également connu sous le nom d'usine à Higgs, prendra environ 10 ans à construire et deviendra le prochain centre mondial de physique des particules, selon Wang Yifang, directeur de l'Institut de physique des hautes énergies de Pékin.
En accélérant les électrons et leurs antiparticules – les positrons – dans un tunnel souterrain de 100 km de long (62 miles) à des énergies extrêmement élevées et en les faisant entrer en collision, le CEPC créera des millions de bosons de Higgs et permettra aux scientifiques de faire de nouvelles découvertes au-delà du Modèle Standard – notre meilleure théorie existante pour décrire les blocs de construction fondamentaux de l'Univers. »
Ainsi, tandis que des milliardaires comme Elon Musk et Jeff Bezos lancent des objets dans l'espace, des scientifiques du monde entier cherchent à créer les choses qui composent l'espace.
Que se passera-t-il lorsque nous ferons entrer en collision des particules avec des énergies plus élevées que jamais ?
Un collisionneur de 100 km pourrait potentiellement atteindre des énergies de collision de 100 téra-électron-volts, soit environ six fois l'énergie de collision du Grand collisionneur de hadrons (LHC), et égale à l'énergie de collision créée par les rémanents de supernova, les pulsars et les rayons cosmiques.
La question est : cela fera-t-il une différence ?
Que pensez-vous qu'il va se passer ? Allons-nous créer un trou noir ? Ouvrir une autre dimension ? Créer de la matière noire et exploiter une énergie illimitée ?
La raison d'expliquer ce qu'est le Grand collisionneur de hadrons dans cette lettre d'information sur l'investissement est de vous montrer qu'il existe une pléthore de nouvelles technologies à l'horizon qui changeront notre compréhension du monde.
Cela inclut non seulement de nouvelles découvertes avec l'IA, mais aussi des découvertes utilisant des outils qui nous permettent de voir des choses si petites que nous pouvons détecter des maladies avec une seule respiration.
Bonne chasse.
Cherchez la vérité et soyez prêts,
Carlisle Kane
