Le Modèle standard mis à l’épreuve

Les expériences du LEP

Le collisionneur LEP (Large Electron Positron – Grand collisionneur électron-positron) a été exploité de 1989 à l’an 2000. 1500 physiciens et ingénieurs ont travaillé sur les quatre expériences du LEP, chacune étant équipée d’un détecteur de particules unique, appelés ALEPH, DELPHI, L3 et OPAL.

Le LEP assurait la collision d'électrons avec des positons afin de produire des bosons Z dans la phase 1 de son exploitation (1989–1995) et des bosons W dans sa phase 2 (1996-2000). Ce fut cet accélérateur qui donna son statut au Modèle standard de la physique des particules. Les nombreuses données collectées par les quatre expériences ont éprouvé le modèle à un niveau de précision inédit. Les résultats expérimentaux, conformes aux prédictions théoriques, ont contribué à valider le Modèle standard. Parmi ses autres réussites notables, le LEP a permis d’établir qu’il existe trois types de neutrinos, et de fixer une limite inférieure sur masse possible du boson de Higgs.

Après 11 ans d’exploitation, le LEP a finalement été arrêté en novembre 2000. Un mois plus tard commençait le démantèlement pour laisser place à son successeur – le Grand collisionneur de hadrons (LHC).

Les détecteurs

Les quatre collaborations de physiciens travaillant pour les expériences du LEP – ALEPH, DELPHI, L3 et OPAL – étaient les plus cosmopolites jamais formées.

Chaque détecteur du LEP est constitué de plusieurs couches de sous-détecteurs qui repèrent les particules produites dans les collisions électron-positon. Un tube transportant les faisceaux d’électrons et de positons circulant dans des directions opposées passe au centre de ces détecteurs. Les sous-détecteurs qui l’entourent forment des cylindres concentriques avec des « bouchons » qui ferment les extrémités afin que seul un faible nombre de particules échappent à la détection. Des éléments des détecteurs ont été construits dans des pays membres du CERN, mais aussi en Chine, au Japon et aux États-Unis. Lorsque les halls d'expérimentation furent prêts, en 1988, tous les équipements des détecteurs arrivèrent du monde entier pour leur assemblage définitif.

Les premiers résultats

L’expérience OPAL eut le privilège d'enregistrer la toute première collision, à minuit cinq environ, mais les trois autres expériences ne tardèrent pas à suivre. La première période d’exploitation véritablement consacrée à la physique commença le 20 septembre et se poursuivit pendant trois mois. Durant cette période, chaque expérience enregistra quelque 30 000 particules Z, soit une quantité suffisante pour lancer les premières analyses des données.

A la date de l’inauguration officielle du LEP, le 13 novembre 1989, en présence de quelque 1500 invités, dont des chefs d’État et des ministres de l'ensemble des États membres du CERN, les premiers résultats avaient déjà été annoncés : les expériences LEP avaient montré que les familles de particules étaient au nombre de trois et trois seulement.

Indices d'une nouvelle physique

À l’origine, il était prévu d’interrompre l’exploitation du LEP à la fin septembre 2000. Cependant, des signes d'une nouvelle physique conduisirent à poursuivre l'exploitation jusqu’au 2 novembre. À la fin de cette période, les quatre expériences LEP avaient enregistré un certain nombre de collisions susceptibles d’avoir produit une particule de Higgs (d’une masse voisine de 115 GeV). Ces événements sont cependant aussi compatibles avec d'autres processus connus. Les nouvelles données n'étaient pas suffisamment convaincantes pour justifier la poursuite de l’exploitation de l’accélérateur en 2001, qui aurait eu un impact inévitable sur la construction du Grand collisionneur de hadrons (LHC) et sur le programme scientifique du CERN. La Direction du CERN décida que la meilleure stratégie pour le Laboratoire consistait à assurer la réussite du projet LHC.