Araceli Sanchez Varela est assistante à l'Université de Genève dans l'Unité d'Histoire et Philosophie des Sciences, où elle est en train d'écrire sa thèse doctorale sur la transition entre les projets scientifiques LEP et LHC au CERN en 2000. Elle est membre du conseil éditorial de la revue espagnole Sin Permiso, et elle est enseignante de physique dans le Collège de Genève.

Des décisions politiques aux conséquences scientifiques - La stratégie des augmentations d’énergie dans les dernières années du LEP

Araceli Sanchez Varela, Histoire et de Philosophie des Sciences, Université de Genève

 

Introduction

Le CERN connut en 2000 l’un des épisodes le plus controversés de toute son histoire. Cette année, son collisionneur vedette, le LEP, était définitivement mis à l’arrêt pour permettre la mise en place de son successeur, le LHC. L’arrêt du LEP suscita à l’époque une vive polémique, nourrie non seulement par des physiciens du LEP, frustrés de ne pas pouvoir aller de l'avant dans leurs recherches du boson de Higgs qu’ils affirmaient être sur le point de découvrir, mais aussi, plus largement, par une partie du personnel du CERN et de la communauté internationale de la physique des hautes énergies (HEP). Une dizaine d’années après, le LHC a fait (largement) ses preuves: l’année passé, les collaborations ATLAS et CMS ont pu annoncer la découverte du boson de Higgs. Cette découverte n’a pas vraiment mis fin aux débats suscités par la polémique de l’année 2000: l’énergie à laquelle le Higgs annoncé par le LHC avait été observé est, rétrospectivement, compatible avec les événements que les collaborations du LEP avaient mis à l’époque en avant pour plaider sa prolongation. Ainsi, plus de dix ans après, des divergences de vues n’ont pas été aplanies et des regrets sont toujours nourris quant à la décision prise à l’époque. Dans les pages qui suivent, il ne s’agit pas de revenir sur événements de 2000 et encore moins de prendre rétrospectivement parti dans la controverse qui a agité alors le monde de la physique des particules: en s’appuyant sur les résultats d’une enquête historique, il s’agit plutôt de mettre en relief l’importance de décisions qui, bien des années avant la polémique de 2000, ont pesé sur la suite des événements, des décisions qui n’ont pas, à l’époque suscité de particulière controverse.

 

Rappelons les faits. Lors de l’année 2000, la question débattue était de décider s'il fallait continuer ou non le fonctionnement du LEP et donc de ses quatre collaborations au delà du calendrier qui prévoyait initialement son arrêt en 2000 1. Les expériences menées à ce moment (notamment ALEPH et L3) affirmaient disposer d’indices de l'existence du boson de Higgs: aux yeux des partisans de la prolongation du LEP, ces observations méritaient d’être approfondies pour, espéraient-ils, aboutir à une découverte. Les partisans d’une mise en place la plus rapide possible du LHC plaidaient par contre en faveur de l’arrêt du LEP dans les meilleurs délais pour permettre sa substitution, dans le même tunnel, par le LHC. L’enjeu polarisa la communauté: il y avait d'un côté ceux pour qui la clarification des signaux potentiellement annonciateurs d’un Higgs devait primer sur tout le reste. Face à eux d’autres soutenait qu'il était impératif de ne pas retarder en aucune manière les travaux du LHC: pour ces derniers, la découverte du Higgs (s’il existait) pouvait bien être différée à plus tard aux soins des expériences du nouvel accélérateur. Le clivage d’opinion traversait toutes les communautés actives dans la HEP: ce n’était pas juste une opposition entre scientifiques et administratifs, entre les tenants, selon certains clichés, d’une science avant tout libre de progresser et ceux soucieux avant tout de raisons politiques et financières. Toutes les communautés étaient conscientes des multiples enjeux, scientifiques (une découverte majeure venant parachever l’édifice du Modèle Standard), financiers (les coûts entraînés par le retards dans la construction du LHC), politiques enfin (l’avenir à long terme du CERN et le soutient des pays membres à ses activités).

Comme on le sait, la direction du CERN décida finalement de ne pas prolonger le LEP au delà de Novembre 2000. Ce fut, pour les uns, une décision déroutante et un échec pour la recherche; pour d’autres, elle fut clairvoyante et salutaire pour le CERN. Elle ne laissa en tout cas personne indifférent. Les raisons scientifiques ne furent pas les seules pour la motiver: des considérations économiques ou encore politiques jouèrent tout autant. Cela ne doit pas étonner: le CERN, fleuron et vitrine de la coopération scientifique internationale, ne pouvait pas se soustraire à des impératifs plus larges liés à la politique de la science et de son financement. Des prises de position à l’époque se firent l’écho des multiples enjeux associés à la question de la prolongation du LEP et dans les débats pour et contre beaucoup de raisons furent avancées. On n’y trouve pourtant quasiment pas mention d’une décision, antérieure de cinq ans, qui, rétrospectivement, eut des conséquences profondes sur les chances du LEP de permettre la découverte du Higgs. De manière étonnante, cette décision ne créa pourtant à son époque aucune polémique, en tout cas aucune polémique comparable en ampleur et en extension à celle qui eut lieu en 2000. Il s’agit de l’arrêt en 1995 de la construction des cavités accélératrices supraconductrices qui depuis des années venaient se substituer aux cavités conventionnelles en permettant au LEP de monter en énergie. La suite de cet article se propose de revenir sur cette décision et sur ses conséquences en regard de la stratégie suivie dans les années 1990 au CERN pour augmenter l'énergie du LEP et de l’évolution de son programme expérimental.

 

Le LEP et ses missions

Le LEP, un collisionneur électrons-positrons, fut en fonctionnement au CERN de 1989 à 2000. Il a connu deux phases successives: le LEP1, entre 1989 et 1995, période pendant laquelle les physiciens ont pu recueillir les données des détecteurs travaillant à des énergies entre 80 et 136 GeV; et le LEP2, de 1996 à 2000, où les collisions avaient lieu à des énergies entre 136 et la limite de 206 GeV.

Lors de son inauguration en 1989, l'agenda scientifique du LEP comprenait l'étude des paramètres de la théorie électrofaible (la recherche sur les bosons W et Z), des tests de précision de la QCD et du modèle électro-faible, l'investigation des couplages des différents quarks et neutrons dans les courants neutres, la recherche du quark Top, ainsi que la recherche de nouveaux phénomènes, tels que le boson de Higgs et les particules supersymétriques.

Le cadre théorique de la plupart de ces recherches était le Modèle Standard. Rappelons que cette théorie de la physique des particules réunit en une description cohérente la plupart de connaissances que nous avons aujourd'hui sur l'organisation et les interactions de la matière à son niveau le plus fondamental. Malgré ses succès et les nombreux tests expérimentaux réussis auxquelles il a été confronté, le Modèle Standard est considéré comme insuffisant: des questions restent encore ouvertes, comme celle de savoir, notamment, pourquoi le porteur de l'interaction électromagnétique (le photon) n'a pas de masse, tandis que les bosons W et Z, porteurs de l'interaction faible, en ont une. Quel est donc le mécanisme qui fournit à certaines particules, et pas à d’autres, une masse ?

La réponse la plus largement acceptée provient -pour le moment- du « mécanisme de Higgs », proposé en 1967 et qui, au vu des résultats au LHC annoncés officiellement en juillet 2012, est sur le point d’être validé. En simplifiant considérablement, ce mécanisme repose sur l’existence d’une particule bosonique, appelée depuis « boson de Higgs ». L’interaction d’une particule avec le Higgs la munit d’une masse effective : plus cette interaction est forte, plus sa masse est grande 2.

La recherche de l’hypothétique boson de Higgs, bien que sur l’agenda du LEP depuis ses débuts, n'était initialement pas l'un des points forts. Elle n’a été mise au premier plan qu’à la faveur des augmentations de l’énergie du collisionneur et était à son apogée durant ses dernières années comme le montre le tableau 3:

En 1995, après 6 ans de fonctionnement, le LEP entrait dans la phase dite LEP2. L’état des connaissances était alors le suivant: les bosons W et Z avaient été découverts en 1983, la masse du quark Top avait été prédite en 1994 et celui-ci découvert l’année d’après aux États-Unis (au Tevatron). Grâce à ces résultats, les théoriciens travaillant sur des modèles supersymétriques (SUSY) étaient du coup en mesure d’obtenir une limite supérieure pour la masse du boson de Higgs de 130 GeV. Le LEP devenait à ce moment le mieux placé pour rechercher cette nouvelle particule: sa nature de collisionneur électrons-positrons laissait espérer un faible bruit de fond pour distinguer sa signature, contrairement aux accélérateurs des hadrons comme son rival le plus sérieux le Tevatron aux USA 4.

Toutes les conditions semblaient donc remplies pour que le LEP, si le boson de Higgs existait, l’épingle à son palmarès. Cet horizon prometteur fut cependant obscurci par une décision qui allait a posteriori s’avérer lourde de conséquences sur le potentiel du LEP, en particulier sur la recherche que l’on y menait sur le Higgs.

 

Le LEP et ses cavités accélératrices

Le LEP était dès l’origine conçu de sorte que l'on puisse augmenter progressivement l'énergie de ses collisions en ajoutant des cavités accélératrices aux huit emplacements de son anneau ; il était au départ équipé de cavités accélératrices conventionnelles en cuivre. Celles-ci furent remplacées progressivement par des cavités supraconductrices: ce fut le principal moyen par lequel les physiciens purent augmenter l'énergie des collisions du LEP 5.

Le graphique montre la progression, entre 1991 et 1999 de l'installation de cavités accélératrices dans le LEP 6.

L'installation a été menée en plusieurs phases; il faut aussi prendre en compte qu’un laps de temps non négligeable sépare la commande des cavités à l'industrie, leur construction, et leur installation effective dans le collisionneur. Pour prendre un exemple, les dernières cavités ont été commandées à l'industrie en 1995 et ne furent installées au LEP que les années suivantes, jusqu'en 1999.

Le tableau à gauche permet de suivre l'évolution du pouvoir accélérateur du LEP. À la fin de son existence il était équipé de 288 cavités accélératrices supraconductrices et de 56 anciennes cavités en cuivre. Toutes les anciennes cavités n’avaient donc pas été remplacées par des supraconductrices.

Mais il y a plus: le LEP était originalement conçu pour pouvoir accueillir considérablement plus de cavités accélératrices. Dans un rapport de 1995 relatant les travaux du LEP Performance Workshop, des intervenants discutent les possibles actions à entreprendre pour atteindre des énergies plus hautes 7. On y trouve présenté le tableau suivant qui montre que la perspective d’ajouter jusqu'à 384 cavités supraconductrices était envisageable:

 

Il s’avère donc que non seulement des cavités en cuivre équipaient encore le LEP à la fin de sa vie, mais que son potentiel n’avait pas été exploité pleinement par l’installation du maximum des cavités accélératrices physiquement réalisable. Plus précisément, on pouvait d'installer 100 cavités de plus, pour un total de 385, ce qui aurait permis d'atteindre une énergie de collision de 221 GeV. Rappelons que seulement 288 cavités furent en fin de compte installées, permettant ainsi d’atteindre au maximum 206 GeV 8.

Ce constat revêt toute son importance si l’on le replace dans le contexte de la recherche du boson de Higgs en 2000. Dans le document dont provient le tableau, le total de 385 cavités correspondant à une énergie de 221 GeV n’était pas avancée au hasard. Pour espérer produire un boson de Higgs dans les collisions électron-positron, il faut une énergie égale à ou plus grande que la somme des énergies au repos des particules produites. Dans le cas du processus favori au LEP, e- + e+ → Z + Higgs, on savait depuis 1994 déjà que l'énergie nécessaire pour fournir une réponse définitive sur l'existence d’un boson de Higgs de 130 GeV était d'environ 210-220 GeV 9.

 

Les étapes de l’augmentation de l'énergie du LEP dans les années 1990

Pendant les années 1990 des chercheurs formulèrent à plusieurs reprises des requêtes pour installer davantage de cavités accélératrices et augmenter leur puissance. Dans les dernières, ils avançaient l’argument économique que le coût n’excédait pas 3% du budget total du LEP. Durant ces années, la direction du CERN, de son côté, se préoccupait de manière croissante du projet LHC, qu'elle espérait mis en route en 1998. En 1994, ce projet était approuvé. Une année plus tard un ajout de 32 cavités accélératrices au LEP était approuvé à son tour. La direction du CERN était bien consciente que cette décision augmentait les chances de découverte du boson de Higgs au LEP 10 mais cette augmentation fut pourtant aussi la dernière. En 1995, elle décidait de stopper la construction des cavités accélératrices pour LEP2 en avançant que le LHC allait reprendre les investigations à l'énergie à laquelle le LEP devait finir 11. La direction craignait apparemment que la phase 2 du projet LEP n'interférât avec l'approbation par les États Membres du projet LHC. La crainte était fondée. Dans la deuxième moitié des années 1990, l'Allemagne décidait de diminuer sa contribution au budget annuel du CERN et dans la foulée les autres États Membres décidaient que cette diminution devait s’appliquer à tous. Le CERN se retrouvait ainsi avec des difficultés budgétaires pour les années à venir (1996-2000). Il fut décidé qu’elles ne devaient pas avoir des conséquences sur le LHC, que les dépenses du projet LHC ne devaient pas être modifiées, mais qu'il serait alors construit en une seule étape avec démarrage en 2005 12. On misa donc sur le projet LHC en détriment du LEP.

 

Conclusion

Les décisions conditionnant l’augmentation de l’énergie disponible au LEP furent, dans ses dernières années, motivées fortement par des considérations économiques et politiques. Elles eurent des conséquences tangibles, à commencer par le fait que l'énergie finale du LEP n'atteignit que 206 GeV loin de son maximum théorique. Du point de vue scientifique, elles ont entraîné un délai de 13 ans dans les recherches du boson de Higgs: ce fut le temps nécessaire au LHC pour être achevé et atteindre les énergies où le LEP s'était arrêté. Il est vrai que pendant cette période le CERN n’eut pas à se soucier de la concurrence: selon toutes les prévisions de l’époque le collisionneur Tevatron du Fermilab, (arrêté définitivement le 30 septembre 2011) n’allait pas atteindre une énergie de collision suffisante pour constituer une menace dans la course au Higgs.

Lors des débats de l’année 2000 sur l’opportunité de prolonger le LEP, l’un des arguments des partisans de son arrêt questionnait la crédibilité des résultats que les collaborations du LEP mettaient en avant pour demander une prolongation: vu les aléas liés à un collisionneur poussé dans ses derniers retranchements (comme l’était le LEP), les événements prometteurs avancés par les collaborations ne devaient pas être pris trop au sérieux. A la lumière de cet argument nous pouvons mieux comprendre toute l'importance de la décision prise en 1995 d'arrêter la construction et l'installation de cavités accélératrices au LEP.

L’arrêt du LEP rendit à jamais impossible l’évaluation des résultats expérimentaux que ses collaborations annoncèrent en 2000. Selon les résultats obtenus par le LHC, le Higgs existe bien dans la plage des énergies explorées en son temps, bien que de manière extrême, par le LEP. Comme nous avons voulu le faire comprendre, et contrairement à ce que l’intensité de la confrontation de l’année 2000 peut laissait supposer, les chances de la découverte du Higgs par le LEP ne se sont pas jouées cette année. La question était pour l’essentiel tranchée déjà depuis cinq ans: la réduction du nombre de cavités accélératrices a empêché les physiciens de disposer en 2000 d'une énergie de collision qui aurait pu permettre de décider, à ce moment et au-delà de tout doute, si les signaux expérimentaux préliminaires n’étaient que des artefacts ou s’ils étaient bien dus à un boson de Higgs. Au vu de son importance, il est étonnant de constater, du moins si on s’appuie sur les documents officiels à disposition, que cette décision ne suscita pas en son temps de débat particulier. Il est vrai que la question du Higgs n’était alors pas encore aussi proéminente.

Au-delà de son intérêt pour l’histoire récente du CERN, cet épisode illustre les rapports étroits entre les impératifs de la recherche et ceux de son financement et de son acceptation. La planification et la conduite de la recherche, surtout au niveau des grands laboratoires internationaux, se joue à plusieurs niveaux et sa marche finale est le résultat de négociations serrées: elle n’est que rarement conditionnée que par des raisons purement scientifiques.

 

1 Une première prolongation avait été accordée de Septembre à Novembre 2000.
2 Une explication plus détaillée revoie au mécanisme de la brisure spontanée de symétrie.
3 Sur la base d’une compilation des articles des quatre collaborations expérimentales du LEP (L3, ALEPH, Opal et DELPHI).
4 Dans le cas d’un collisionneur à hadrons comme le Tevatron (proton-antiproton), des nombreux processus annexes peuvent masquer le signal du processus que l'on cherche.
5 Deux paramètres importants contrôlent l'énergie d’un collisionneur: le nombre de cavités accélératrices et leur voltage. Nous allons nous concentrer sur le premier: c’est celui qui joua un rôle déterminant dans les événements dont traite cet article.
6 Source: conférence donnée par Christopher Llewellyn Smith au CERN lors de la Cérémonie de fermeture du LEP en Octobre 2000.
7 « LEP2 Energy Upgrade », S. Myers, C. Wyss, CERN LEP2 Note 95-34. CERN/LEPC 95-11/M113.
8 L'énergie à disposition est proportionnelle à la racine quatrième du nombre de cavités accélératrices: avec 100 cavités de plus (c'est-à-dire, 385) le LEP aurait atteint une énergie de 221 GeV.
9 Cette énergie tient compte d’une marge de 10 GeV.
10 Cela était d’autant plus vrai que le LEP s’approchait ainsi de la plage d’énergies où l’effet de masque des processus annexes rendait les futures investigations du LHC délicates.
11 Cette reprise prit, au gré des aléas du calendrier et des imprévus, plus d'une décennie.
12 Le communiqué de presse du CERN de l’époque explique de manière synthétique la situation: « In August 1996 a CERN Member State proposed a reduction in its contribution to the CERN annual budget. The other Member States decided that any reduction should be general and, taking into consideration discussions in meetings in September and November, Council agreed that funding for the LHC project will be preserved as foreseen when the project was approved, albeit with a reduction in the Member States' annual contributions to the Organization of 7.5% in 1997, 8.5% in 1998-2000, and 9.3% in 2001 and thereafter, compared to the level foreseen in December 1994. The Director-General explained that manpower and expenditure for LHC would be untouched but such reductions in budget would be difficult for CERN. Council agreed that the CERN Management should be given freedom of the cash management of the LHC project, allowing completion of payment up to 2008. Council also decided that it will make every effort to ensure that the ordinary contributions from each Member State during the period 1997-2008 will not fall below the level implied by its above decisions and encouraged additional contributions to enhance the vitality of the general scientific programme during the LHC construction period », voir http://press.web.cern.ch/press/pressreleases/Releases1996/PR09.96ECouncil96.html .

 

 

[Publié: mars 2013]