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Expérience ALICE : le Big Bang dans une éprouvette

Concentré de technologie, le détecteur géant ALICE permet d’étudier la matière dans un état proche des conditions du Big Bang. © 2012 CERN

Actuellement en cours au Centre européen de recherche nucléaire (Cern), près de Genève l’expérience ALICE tente de reproduire en laboratoire un analogue de ce qu’était l’univers une fraction de seconde après le big bang. Une incroyable aventure scientifique à laquelle participent activement en Pays de la Loire les chercheurs de SUBATECH.

A quelques kilomètres du centre de Genève, au beau milieu de la campagne suisse, point d’observatoire astronomique. Pas même un télescope. Pourtant, c’est bien ici, précisément au Centre européen de recherche nucléaire (Cern), que les chercheurs de la collaboration ALICE se sont donné rendez-vous pour essayer de percer quelques-uns des secrets parmi les mieux gardés de l’univers. Grâce au Large Hadron Collider (LHC), le plus puissant accélérateur de particules jamais conçu, ils ont en effet entrepris de créer un état de la matière semblable à ce qu’était le cosmos une fraction de seconde après le big bang. Autrement dit, un bébé univers. Vertigineux !
Car si le cosmos est aujourd’hui essentiellement vide, froid et apparemment sans limite, il n’en a pas toujours été ainsi. Selon les cosmologistes, les planètes, les étoiles et les galaxies, en un mot tout ce que compte l’univers, proviendraient d’une sorte de cataclysme, le big bang, qui se serait produit il y a environ 13,7 milliards d’années. Si bien que l’univers, dans sa prime jeunesse, n’aurait été qu’une minuscule bouillie informe et brûlante de particules élémentaires agitées en tous sens. Une bouillie que rien n’interdit d’imaginer au fond d’une éprouvette. A condition d’être capable de reproduire en laboratoire les conditions dantesques, notamment de température, qui prévalaient dans l’univers moins d’une seconde après le « flash » initial.
 
L'endroit le plus chaud de l'univers
 
Pour ce faire, les physiciens disposent d’un atout de taille : le LHC. Soit un anneau de 27 kilomètres de circonférence, situé 100 mètres sous terre, capable d’accélérer des protons ou des noyaux d’atomes de plomb à des vitesses proches de celle de la lumière, avant de les projeter les uns contre les autres. De quoi transformer, en vertu de l’équivalence entre masse et énergie résumée dans la célèbre formule d’Einstein E=mc2, l’énergie des particules incidentes en une soupe bouillante de matière 100 000 fois plus chaude que le centre du Soleil ! « Aucun endroit dans l’univers n’est alors plus chaud que le plasma ainsi créé », précise Guillaume Batigne, chercheur de SUBATECH (Laboratoire de physique subatomique et des technologies associées) à Nantes. 
Plasma ? En fait, un état de la matière dans lequel l’intégralité des constituants des noyaux de plomb, c’est-à-dire les quarks, qui forment protons et neutrons, et les gluons, qui collent les quarks entre eux au sein des noyaux, sont libres de se mouvoir à leur guise. Raison pour laquelle les physiciens parlent alors d’un plasma de quarks et de gluons. Précisément ce que devait être l’univers jusqu’à une microseconde après le Big Bang. 
Reste alors aux chercheurs du Cern à en étudier les propriétés. Alors même qu’après 10-23 seconde, les quelques milliers de particules qui composent le bébé univers s’évaporent dans la nature. Sans compter que le LHC engendre jusqu’à 5000 collisions entre noyaux de plomb par seconde. Autrement dit, il faut pouvoir suivre la cadence !
 
Les Experts Genève en action
 
C’est là que commence le travail d’ALICE, un détecteur géant de 26 mètres de long, 16 mètres de haut, affichant pas moins de 10 000 tonnes sur la balance ! Et dont la conception et la mise en oeuvre sont en partie le fait des chercheurs de SUBATECH. Guillaume Batigne précise : « En nombre de chercheurs permanents, notre laboratoire représente environ 25 % de la composante française d’ALICE. » Le rôle de ce détecteur hors norme ? Capter les résidus issus du plasma de quarks et de gluons dans toutes les directions et jusqu’à plusieurs mètres du point d’impact. « Nous sommes un peu les Experts Genève, plaisante le physicien. Nous devons reconstituer les propriétés du plasma de quarks et de gluons à partir des quelques indices laissés dans le détecteur. »
Depuis deux ans, le LHC fonctionne à plein régime. Et les experts du Cern ont fait une étonnante découverte. Alors que selon des modèles théoriques, on pouvait s’attendre à ce que l’univers primordial, au regard de sa faramineuse température, ressemble à un gaz, il s’avère que ses propriétés seraient plutôt celles d’un liquide. Et qui plus est, un liquide d’un genre très particulier car capable de s’écouler sans le moindre frottement. Autrement dit, un étrange état de la matière sans équivalent connu. 
Quoi qu’il en soit, les physiciens n’en sont encore probablement qu’au début de leurs surprises. Car si le LHC sera arrêté début 2013 pour une durée d’environ deux ans, il redémarrera ensuite avec une puissance doublée. Et devrait fonctionner jusqu’en 2030. De quoi laisser le temps aux chercheurs de SUBATECH et à leurs collègues de part le monde de dresser une carte d’identité précise de l’univers à ses débuts. Sans jamais lever leur nez vers le ciel !
 
Mathieu Grousson

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