Les ondes gravitationnelles du Big Bang pourraient être détectées par un successeur du LHC

L'immense majorité de notre connaissance du monde passe par la vision et cela est bien connu depuis longtemps comme on peut s'en rendre compte en lisant le premier paragraphe de l'ouvrage qu'AristoteAristote consacrait à ce que l'on a appelé après sa mort la métaphysique : « L'homme a naturellement la passion de connaître ; et la preuve que ce penchant existe en nous tous, c'est le plaisir que nous prenons aux perceptions des sens. Indépendamment de toute utilité spéciale, nous aimons ces perceptions pour elles-mêmes ; et au-dessus de toutes les autres, nous plaçons celles que nous procurent les yeuxyeux. Or, ce n'est pas seulement afin de pouvoir agir qu'on préfère exclusivement, peut-on dire, le sens particulier de la vue au reste des sens ; on le préfère même quand on n'a absolument rien à en tirer d'immédiat ; et cette prédilection tient à ce que, de tous nos sens, c'est la vue qui, sur une chose donnée, peut nous fournir le plus d'informations et nous révéler le plus de différences. »

L'astronomie et l'astrophysique ont fait des bonds chaque fois qu'une nouvelle fenêtrefenêtre observationnelle s'est ouverte, des ondes radio aux rayons gamma. Aujourd'hui, la révolution en cours passe par les ondes gravitationnellesondes gravitationnelles et la combinaison de leur détection avec les ondes électromagnétiques et les neutrinosneutrinos pour faire de l'astronomie multimessager.

Des messagères des premiers temps du Big Bang

Comme les ondes électromagnétiques, les ondes gravitationnelles peuvent se retrouver dans différentes bandes spectrales de fréquence et chacune de ces bandes peut être associée à des phénomènes particuliers. Ainsi, des fréquences élevées sont plutôt en relation avec les derniers instants de la collision des trous noirs.

Mais des fréquences nettement plus basses peuvent révéler des événements survenus pendant le Big BangBig Bang, par exemple lors de la transition de phase dite électrofaible qui a permis à certaines particules, comme les quarks et les leptons, d'obtenir une massemasse via le bosonboson de Brout-Englert-Higgs (rappelons que la masse des protons et des neutrons, dont l’essentiel de la masse des particules de matière de notre corps, ne s’explique pas par l’existence de ce célèbre boson).

Il se pourrait même que certaines de ces ondes soient bavardes sur l’écume quantique de l’espace-temps au moment de la naissance de l'UniversUnivers observable ou pour le moins lors d'une hypothétique phase d'inflation très primordiale de l'histoire du cosmoscosmos.

L'histoire de notre Univers observable a débuté il y a 13,8 milliards d'années. Pendant l'inflation, moins de 10^-32 s après le « temps zéro », des fluctuations de densité de matière (density waves) et des ondes gravitationnelles (gravitational waves) auraient été engendrées. Les ondes gravitationnelles pouvant se propager malgré des densités de matière élevées, elles peuvent nous renseigner sur l'état de l'Univers avant qu'il ne soit âgé de 10^-32 s, peu après une hypothétique phase dite d'inflation avec une expansion exponentielle et très rapide de l'espace. Il n'en est pas de même pour la lumière. Il a fallu attendre 380.000 ans pour qu'elle soit libre de se déplacer dans le cosmos observable, quand sa température et sa densité étaient devenues bien plus basses. Les photons du rayonnement fossile sont donc bien moins vieux que les ondes gravitationnelles qui auraient laissé leur empreinte sur ce rayonnement. © BICEP2 Collaboration

Mais comment fait-on pour détecter et caractériser ces ondes ? Comme celles de tous les champs, par leurs effets sur des corps d'épreuve en des points de l'espace, un thermomètrethermomètre ou un baromètrebaromètre pour des ondes de température et de pressionpression par exemple, ou une bille chargée oscillant au bout d'un ressort pour une onde électromagnétique.

Les ondes gravitationnelles, quant à elles, dilatent et compressent l'espace de sorte qu'un corps élastique comme la Terre va se comporter comme un ellipsoïde se déformant de façon oscillatoire selon ses axes. Pour des ondes lumineuses, effectuant des allers-retours dans un interféromètreinterféromètre pour augmenter la distance parcourue comme c'est le cas avec les détecteurs LigoLigo et VirgoVirgo, les changements de distance lors du passage d'une onde gravitationnelle vont conduire à des effets d'interférenceinterférence mesurables à partir de deux faisceaux obtenus par séparationséparation d'un faisceau initial. Il est commode d'utiliser des rayons laserlaser pour cela.

Des ondes qui déforment les trajectoires des faisceaux de particules

Or il se trouve que depuis des décennies, il a été proposé une autre méthode ingénieuse pour détecter le passage sur Terre d'ondes gravitationnelles. Elle consisterait à mesurer les effets sur des faisceaux de particules se déplaçant dans de grands collisionneurs comme le LHCLHC. Il s'agit déjà d'instruments de grande taille et on prévoit d'ailleurs en Europe ou en Chine, dans un avenir proche, la mise en service de collisionneurs de 100 kilomètres de circonférence. Mais un autre avantage est qu'en raison de la vitessevitesse très proche de celle de la lumièrelumière des particules dans de telles machines, ces particules peuvent parcourir de très grandes distances sur lesquelles les effets infiniment petits du passage d'une onde gravitationnelle vont s'accumuler au point de devenir mesurables.

Ça y est, des ondes gravitationnelles ont été détectées. Ces fluctuations de l’espace-temps proviennent de la fusion de deux trous noirs d’environ 30 fois la masse de notre Soleil. Découvrez dans cette vidéo comment les scientifiques de Ligo ont pu effectuer ces premières mesures. © Ligo, Futura

Il y a une certaine ironie dans cette histoire. Les collisionneurs de particules ont besoin de maîtriser les trajectoires et les temps d'arrivée des paquetspaquets de particules qu'ils accélèrent. La tâche n'est pas aisée et on le comprend bien car des particules chargées dans ces paquets se repoussent, étant de même charge. Or il faut que les paquets soient les plus concentrés possible pour avoir un taux de collision le plus élevé possible afin de détecter des événements rares, ce qui pourrait prendre une vie entière dans le cas contraire.

On connaît bien l'exemple de la découverte qui a été faite avec le prédécesseur du LHC, le LEPLEP, accélérant des paquets d'électronsélectrons et de positronspositrons. Il y avait une curieuse source de fluctuation dans la qualité des faisceaux qui suivaient la périodicité des maréesmarées. De fait, c’était bien l’effet de la gravité de la Lune que les physiciens du Cern observaient car, et cela n'est pas très connu, il existe aussi des effets de marée terrestre dus à la déformation de la Terre qui se comporte comme un corps élastique.

Plus généralement, il existe des instabilités dans les faisceaux des collisionneurs que l'on tente de supprimer concrètement, mais qui seraient à amplifier pour détecter le passage des ondes gravitationnelles. En l'occurrence, cela ouvrirait la porteporte à la détection des ondes des plus basses fréquences, celles qui permettraient de sonder la physiquephysique du Big Bang bien avant la fin de sa première seconde.

Le CernCern a récemment remis ces questions à l'ordre du jour dans un communiqué sur son site au sujet d'un colloque intitulé  « Storage Rings and Gravitational Waves » (SRGW2021) qui s'est tenu du 2 février au 31 mars de cette année. Plus de 100 experts en physique des accélérateurs, des particules et des ondes gravitationnelles ont assisté à des présentations et des échanges sur les perspectives ouvertes, non seulement de détecter des ondes gravitationnelles avec des collisionneurs mais aussi d'en produire en laboratoire sur Terre qui seraient détectables, comme l'explique plus en détail un article du Cern Courier, lui aussi au sujet de ce colloque.