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Quand les accélérateurs rencontrent les ondes gravitationnelles

Des physiciens envisagent d'utiliser des accélérateurs de particules pour détecter ou même générer des ondes gravitationnelles

illustration of gravitational waves

La courbure du tissu de l'espace-temps (jaune) déforme les trajectoires (bleu) des particules en orbite dans un anneau de stockage (rouge). Image : CERN

 

Dans un accélérateur de particules comme le Grand collisionneur de hadrons (LHC), les particules chargées, sous l'action des champs magnétiques et électriques, suivent leurs trajectoires complexes, suivant des paramètres bien contrôlés. Leur cheminement est modélisé selon un espace-temps plat, euclidien. Cependant, les ondes gravitationnelles, observées pour la première fois par les détecteurs LIGO et Virgo en 2015, font déformer cette géométrie sous-jacente en se propageant dans l'Univers. Au cours des 50 dernières années, les scientifiques se sont penchés à plusieurs reprises sur la possibilité de détecter les effets de résonance dus à cette courbure supplémentaire de l'espace-temps, observables dans les particules qui circulent en boucle dans les accélérateurs à une vitesse proche de celle de la lumière.

Les avancées réalisées dans la technologie des accélérateurs pourraient ouvrir la voie à une nouvelle ère, celle de l’astronomie des ondes gravitationnelles, dans laquelle les accélérateurs de particules joueraient un rôle de premier plan. Afin d'étudier cette possibilité prometteuse, plus de cent spécialistes des accélérateurs, physiciens des particules et membres de la communauté de la physique gravitationnelle ont participé à un atelier en ligne intitulé « Storage Rings and Gravitational Waves » (SRGW2021), qui s'est tenu dans le cadre du projet ARIES, issu du programme Horizon 2020 de l'Union européenne. Les intervenants y ont examiné l'importance potentielle des accélérateurs de particules dans la détection des ondes gravitationnelles dans le fond cosmologique. Cette approche pourrait nous donner un aperçu de l'Univers primordial et nous renseigner sur certains phénomènes de haute énergie, tels que les transitions de phase à haute température, la nature de l'inflation et l'existence de nouvelles particules lourdes qu'il est impossible de produire directement en laboratoire.

C’est la première fois, hormis une discussion informelle au CERN dans les années 1990, que les deux communautés se retrouvent pour étudier la possibilité d’associer les accélérateurs à la recherche sur les ondes gravitationnelles, et les débats ont été animés ; il a été question du futur rôle que pourraient jouer les futurs accélérateurs dans la détection, voire la création, d’ondes gravitationnelles. Au vu du grand enthousiasme et du vif intérêt suscités par ces discussions, et des conclusions préliminaires, qui sont prometteuses, on peut attendre des études plus poussées sur les moyens de mettre à contribution les technologies des futurs anneaux de stockage et des accélérateurs pour les besoins de la physique des ondes gravitationnelles.

Voir le rapport complet de la réunion, disponible en anglais dans le CERN Courier, où vous trouverez des informations plus détaillées sur l'utilisation des accélérateurs de particules pour la recherche sur les ondes gravitationnelles.