Regarder les cieux
Théoricien au CERN, Alvaro De Rújula s’intéresse notamment à la recherche dans les domaines de l’astrophysique et de la cosmologie.
« Les fondateurs du CERN ont jugé bon de citer les « rayons cosmiques » comme étant l’un des domaines de recherche du Laboratoire. Ce n’est pas vraiment surprenant. Les rayons cosmiques, découverts en 1912, constituent en fait le premier élément de « l’astrophysique des particules ». À ce jour, leur origine n’est pas comprise. Beaucoup de particules instables ont été découvertes pour la première fois dans les rayons cosmiques, bien avant d’être produites artificiellement. Si le CERN devait être fondé à nouveau, ou refinancé aujourd’hui, la cosmologie constituerait encore sans aucun doute un domaine de recherche clé.
Les rayons cosmiques ont même contribué à empêcher que le CERN (et le laboratoire de Brookhaven) ne soient considérés comme des « laboratoires de destruction massive». Certains craignaient que les collisions d’ions lourds risquent de produire d’étranges noyaux ou des mini trous noirs susceptibles d’avaler la planète entière. Le fait que de tels événements ne paraissent pas se produire lors de collisions de rayons cosmiques entre eux ou avec la Lune est l’un des arguments qui a permis de désamorcer ces peurs.
Le CERN est moins impliqué dans les domaines de l’astrophysique et de la cosmologie que les laboratoires américains SLAC et Fermilab. Pourtant ses travaux sont loin d’être négligeables. Depuis des années, le CERN héberge l’une des deux antennes à ondes gravitationnelles du groupe de Rome, conçue pour détecter directement ces ondes et étudier des processus tels que la coalescence (ou fusion) des étoiles à neutrons ou la naissance des trous noirs. Ce type d’expérience, si elle était couronnée de succès, inaugurerait « une nouvelle manière de regarder les cieux ».
Le CERN mène également d’autres expériences d’astrophysique, CAST, par exemple, recherche des particules hypothétiques, mais théoriquement « nécessaires », appelées axions. À l’aide d’un aimant du LHC, cette expérience cherche à convertir les axions qui seraient émis par le Soleil en signaux électromagnétiques. Les axions et les neutrinos massifs pourraient jouer un rôle en cosmologie. À ce titre, les expériences menées dans l’installation ISOLDE du CERN ne se sont pas uniquement contentées de rechercher les axions, mais ont aussi fourni les meilleures limites supérieures directes de la masse du neutrino de l’électron (par opposition à l’antineutrino correspondant).
Le CERN « reconnaît » également d’autres recherches en astrophysique : il leur apporte un modeste soutien et une adresse locale. C’est le cas pour AMS, un détecteur embarqué sur satellite conçu pour étudier la matière et l’antimatière dans les rayons cosmiques, ainsi que les effets présumés de la matière noire dans notre galaxie. Parmi les autres expériences « reconnues » figurent également Nestor et Antarès, de grands détecteurs sous-marins de neutrinos cosmiques à haute énergie.
Le deuxième grand mystère de la cosmologie est la nature de la matière noire. Le candidat le plus populaire est la « particule supersymétrique la plus légère ». Une telle particule pourrait être observée pour la première fois dans le LHC.
De toutes les énigmes de la physique, la plus intrigante est la valeur présumée non nulle de la « constante cosmologique » d’Einstein, la densité énergétique du vide. Elle serait la source gravitationnelle de l’expansion accélérée de l’Univers à de grandes distances que l’on a observée. Chose surprenante, également, le vide n’est pas « vide » dans un autre sens : les particules sont censées acquérir leur masse par leur interaction avec le vide (c’est ce que l’on appelle le « mécanisme de Higgs »). Au sein du CERN, une énorme quantité des travaux théoriques et des efforts expérimentaux ont été consacrés à vérifier comment le LHC permettrait d’étudier ce mécanisme de manière approfondie, nous apportant peut-être l’indice qui nous manque quant à la nature du vide. »