Le Grand collisionneur de hadrons joue avec la célèbre équation d'Albert Einstein, E =mc ² , transformer la matière en énergie puis de nouveau en différentes formes de matière. Mais en de rares occasions, il peut sauter la première étape et entrer en collision avec de l'énergie pure, sous forme d'ondes électromagnétiques.

L'année dernière, l'expérience ATLAS au LHC a observé deux photons, particules de lumière, ricochant et produisant deux nouveaux photons. Cette année, ils ont poussé cette recherche un peu plus loin et ont découvert que les photons fusionnent et se transforment en quelque chose d'encore plus intéressant :les bosons W, particules qui portent la force faible, qui régit la désintégration nucléaire.

Cette recherche n'illustre pas seulement le concept central régissant les processus à l'intérieur du LHC :l'énergie et la matière sont les deux faces d'une même pièce. Il confirme également qu'à des énergies suffisamment élevées, des forces qui semblent séparées dans notre vie quotidienne – l'électromagnétisme et la force faible – sont unies.

De sans masse à massive

Si vous essayez de reproduire cette expérience de collision de photons chez vous en croisant les faisceaux de deux pointeurs laser, vous ne pourrez pas en créer de nouveau, particules massives. Au lieu, vous verrez les deux faisceaux se combiner pour former un faisceau de lumière encore plus brillant.

"Si vous revenez en arrière et regardez les équations de Maxwell pour l'électromagnétisme classique, vous verrez que deux vagues qui se heurtent se résument à une plus grosse vague, " dit Simone Pagan Griso, chercheur au Lawrence Berkeley National Laboratory du département américain de l'Énergie. "Nous ne voyons ces deux phénomènes récemment observés par ATLAS que lorsque nous rassemblons les équations de Maxwell avec la relativité restreinte et la mécanique quantique dans la soi-disant théorie de l'électrodynamique quantique."

À l'intérieur du complexe d'accélérateurs du CERN, les protons sont accélérés près de la vitesse de la lumière. Leurs formes normalement arrondies s'écrasent le long de la direction du mouvement alors que la relativité restreinte remplace les lois classiques du mouvement pour les processus qui se déroulent au LHC. Les deux protons entrants se voient comme des crêpes compressées accompagnées d'un champ électromagnétique également comprimé (les protons sont chargés, et toutes les particules chargées ont un champ électromagnétique). L'énergie du LHC combinée à la contraction de la longueur multiplie par 7 500 la force des champs électromagnétiques des protons.

Quand deux protons se frôlent, leurs champs électromagnétiques écrasés se croisent. Ces champs ignorent l'étiquette classique « amplifier » qui s'applique aux basses énergies et suivent plutôt les règles décrites par l'électrodynamique quantique. Par ces nouvelles lois, les deux champs peuvent fusionner et devenir le "E" dans E=mc².

"Si vous lisez l'équation E=mc² de droite à gauche, vous verrez qu'une petite quantité de masse produit une énorme quantité d'énergie à cause de la constante c², qui est la vitesse de la lumière au carré, " dit Alessandro Tricoli, un chercheur du Brookhaven National Laboratory, le siège américain de l'expérience ATLAS, qui reçoit un financement de l'Office of Science du DOE. "Mais si vous regardez la formule dans l'autre sens, vous verrez que vous devez commencer avec une énorme quantité d'énergie pour produire même une toute petite quantité de masse."

Le LHC est l'un des rares endroits sur Terre à pouvoir produire et entrer en collision des photons énergétiques, et c'est le seul endroit où les scientifiques ont vu deux photons énergétiques fusionner et se transformer en bosons W massifs.

Une unification des forces

La génération de bosons W à partir de photons de haute énergie illustre la découverte qui a valu à Sheldon Glashow, Abdus Salam et Steven Weinberg le prix Nobel de physique 1979 :Aux hautes énergies, l'électromagnétisme et la force faible ne font qu'un.

L'électricité et le magnétisme se sentent souvent comme des forces distinctes. Normalement, on ne s'inquiète pas d'être choqué en manipulant un aimant de réfrigérateur. Et des ampoules, même éclairé à l'électricité, ne collez pas à la porte du réfrigérateur. Alors pourquoi les stations électriques arborent-elles des panneaux avertissant de leurs champs magnétiques élevés ?

"Un aimant est une manifestation de l'électromagnétisme, et l'électricité en est une autre, " dit Tricoli. " Mais ce sont toutes des ondes électromagnétiques, et nous voyons cette unification dans nos technologies quotidiennes, comme les téléphones portables qui communiquent par ondes électromagnétiques.

A des énergies extrêmement élevées, l'électromagnétisme se combine avec une autre force fondamentale :la force faible. La force faible gouverne les réactions nucléaires, y compris la fusion de l'hydrogène en hélium qui alimente le soleil et la désintégration des atomes radioactifs.

Tout comme les photons transportent la force électromagnétique, les bosons W et Z portent la force faible. La raison pour laquelle les photons peuvent entrer en collision et produire des bosons W dans le LHC est qu'aux plus hautes énergies, ces forces se combinent pour former la force électrofaible.

"Les photons et les bosons W sont des porteurs de force, et ils portent tous les deux la force électrofaible, " dit Griso. " Ce phénomène se produit vraiment parce que la nature est de la mécanique quantique. "