Peut-on créer de la matière noire ? - Rolf Landua

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85% de la matière présente dans notre univers est de la matière noire. Nous ne savons pas de quoi elle est composée et nous devons encore l'observer directement, mais les scientifiques pensent que nous serons capables de la créer dans le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC), le plus grand accélérateur de particules au monde. Comment cela fonctionne-t-il ? Le scientifique du CERN, Rolf Landua, explique comment découvrir une nouvelle particule.

Cours par Rolf Landua, animation par Lazy Chief.

85% de la matière dans l'univers
est un mystère.

Nous ne savons pas ce qui la compose,
c'est pourquoi on l'appelle matière noire.

Mais nous savons qu'elle existe car
nous observons sa force gravitationnelle

sur les galaxies
et sur les autres objets célestes.

Il nous reste à observer
directement la matière noire,

mais les scientifiques soutiennent
que nous serons capables de la créer

dans l'accélérateur de particules
le plus puissant du monde.

Il s'agit du Grand Collisionneur
de Hadrons (LHC) de 27 km de long,

à Genève, en Suisse.

Comment cela fonctionnerait ?

Dans le LHC, deux faisceaux de protons
se déplacent dans des directions opposées

et sont accélérés à une vitesse proche
de celle de la lumière.

Les faisceaux se croisent en 4 points
et les protons entrent en collision.

Les protons sont composés d'éléments
plus petits appelés quarks et gluons.

Dans les collisions classiques,
les deux protons se traversent

sans conséquence particulière.

Toutefois, dans une collision
sur un million,

deux composants
se percutent si violemment,

qu'une grande partie de l'énergie
de cette collision est libérée,

ce qui produit
des milliers de nouvelles particules.

C'est seulement dans ces collisions
que des particules massives

comme la matière noire,
peuvent être produites.

Les points de collision
sont entourés de détecteurs

qui contiennent
environ 100 millions de capteurs.

Comme d'énormes caméras
à trois dimensions,

elles collectent des données
sur ces particules,

y compris leur trajectoire,

leur charge électrique

et leur énergie.

Après analyse, les ordinateurs
peuvent créer une image de la collision.

Chaque ligne montre le chemin
pris par les différentes particules,

qui sont codifiées par une couleur.

Les données des détecteurs permettent
aux scientifiques

d'identifier chacune de ces particules,

comme les photons et les électrons.

Les détecteurs photographient
d'un milliard de collisions par seconde

pour trouver des signes de ces particules
massives extrêmement rares.

Pour compliquer les choses,

les particules que nous recherchons
peuvent être instables

et se dégrader en particules plus connues
avant d'atteindre les capteurs.

Prenez par exemple le boson de Higgs,

une particule longtemps théorisée
et qui n'a été observée qu'en 2012.

Il y a 1 chance sur 10 milliards de créer
un boson de Higgs lors d'une collision,

et il existe pendant seulement
une petite fraction de seconde

avant de se dégrader.

Les scientifiques ont élaboré des modèles
théoriques pour savoir où chercher.

Pour Higgs, ils pensaient qu'il pouvait
parfois se dégrader en deux photons.

Ils n'ont donc d'abord étudié
que les activités à forte énergie

qui impliquaient deux photons.

Mais il y avait un problème.

Il y a un nombre incalculable
d'interactions

qui peuvent produire deux photons.

Comment séparer
le boson de Higgs du reste?

La réponse est la masse.

Les informations collectées permettent
aux scientifiques de faire marche arrière

et de déterminer la masse de tout
ce qui peut produire deux photons.

Ils mettent ces valeurs dans un graphique

et ils répètent la démarche pour
toutes les activités avec deux photons.

La grande majorité de ces activités sont
des observations de photons aléatoires

que les scientifiques appellent
bruit de fond.

Mais quand un boson de Higgs est produit
et se dégrade en deux photons,

la masse est toujours la même.

Donc l'indice révélateur
d'un boson de Higgs

serait un pic qui se distinguerait
du bruit de fond.

Il faut des milliards d'observations
avant qu'un tel pic n'apparaisse,

et ce n'est considéré
comme étant significatif

si ce pic devient significativement
plus important que le bruit de fond.

Dans le cas du boson de Higgs,

les scientifiques du LHC ont annoncé
leurs résultats révolutionnaires

alors qu'il n'y avait
qu'une chance sur 3 millions

que ce pic n'apparaisse.

Revenons à la matière noire.

Si les faisceaux de protons du LHC
ont assez d'énergie pour la produire,

c'est une probabilité encore plus faible
que le boson de Higgs.

Il faut un quadrillion de collisions
combinées aux modèles théoriques

pour commencer à chercher.

C'est ce que fait actuellement le LHC.

En générant une montagne de données,

nous espérons trouver plus de petits pics
dans les graphiques

pour prouver l'existence de particules
encore inconnues, comme la matière noire.

Peut-être que nous ne trouverons
pas de matière noire

mais autre chose

qui remodèlera notre compréhension
du fonctionnement de l'univers.

En réalité, cela fait partie du jeu

Nous ne savons pas
ce que nous allons trouver.