Le Plus Grand Supercollidé Du Monde Va-T-Il Engendrer Un Trou Noir? (Op-Ed)

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Comme dans the flash de dc comics, des rumeurs persistent selon lesquelles des accélérateurs de particules seraient à l'origine de catastrophes mettant un terme à la terre, mais il existe des raisons concrètes pour lesquelles les physiciens de l'univers réel ne dorment pas.

Don Lincoln est un scientifique senior du Laboratoire Fermilab du Department of Energy des États-Unis, la plus grande institution de recherche aux États-Unis pour le Grand collisionneur de hadrons. Il écrit également au sujet de la science pour le public, notamment son récent "Le grand collisionneur de hadrons: l'histoire extraordinaire du boson de Higgs et d'autres choses qui vont faire sauter votre esprit" (Johns Hopkins University Press, 2014). Vous pouvez le suivre sur Facebook. Les opinions ici sont les siennes. Lincoln a contribué cet article à Expert Voices: Op-Ed & Insights de WordsSideKick.com.

La science de pointe est une exploration de l'inconnu; un pas intellectuel dans la frontière de la connaissance humaine. De telles études sont très excitantes pour ceux d'entre nous qui sommes passionnés par la compréhension du monde qui nous entoure, mais certaines craignent l'inconnu et se demandent si une science nouvelle et puissante, ainsi que les installations où elle est explorée, pourraient être dangereuses. Certains vont même jusqu'à demander si l'un des projets de recherche les plus ambitieux de l'humanité pourrait même constituer une menace existentielle pour la Terre elle-même. Alors posons cette question maintenant et réglons-la.

Un supercollidé peut-il mettre fin à la vie sur Terre? Non bien sûr que non.

Mais ce n'est pas vraiment une question idiote pour ceux qui n'y ont pas pensé. Après tout, le grand collisionneur de hadrons (LHC), le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules au monde, est explicitement un instrument d'exploration, conçu pour repousser les frontières de l'ignorance. Il n’est pas déraisonnable de vous demander comment vous savez que quelque chose n’est pas dangereux si vous ne l’avez jamais fait auparavant. Alors, comment puis-je dire avec une telle confiance que le LHC est totalement sûr?

La réponse courte est que les rayons cosmiques de l’espace imprègnent constamment la Terre d’énergies équivalentes à celles du LHC. Étant donné que la Terre est toujours là, il ne peut y avoir de danger, ou le raisonnement va.

Et cela pourrait bien être la dernière histoire, mais le récit est beaucoup plus riche que ne le laisserait croire une réponse courte (mais très précise). Nous allons donc creuser un peu plus en détail ce qui rend certains suspects un danger, puis explorer une description assez détaillée du point et du contrepoint impliqués dans la fourniture d'une réponse solide et satisfaisante à la question.

Le LHC peut-il créer un trou noir destructeur de la Terre?

Les sceptiques ont suggéré que le LHC produirait de nombreux dangers possibles, allant de la crainte vague de l'inconnu à certains étrangement spécifiques.

Le plus souvent mentionné est l'idée que le LHC peut créer un trou noir. Dans la littérature populaire, les trous noirs sont des monstruosités ravissantes de l'univers, engloutissant tout ce qui les entoure. Compte tenu de cette description, il n’est pas du tout déraisonnable que les gens se demandent ensuite si un trou noir créé par le LHC pourrait atteindre et détruire l’accélérateur, le laboratoire, puis la Suisse, l’Europe et enfin la Terre. Ce serait un scénario effrayant, s’il était crédible - mais ce n’est pas le cas.

Ce qui suit immédiatement sont les raisons les plus faibles (mais toujours convaincantes) pour lesquelles cette possibilité est, eh bien, impossible, et dans la section suivante, vous verrez les raisons, en fonte et en plaqué or, de rejeter ce scénario et tous les autres scénarios possibles..

La première question est de savoir si un trou noir peut même être créé au LHC. Hélas, lorsque nous examinons toutes les preuves scientifiques et utilisons notre compréhension la plus moderne des lois de l'univers, il est impossible que le LHC puisse créer un trou noir. La gravité est simplement trop faible pour que cela se produise.

Certains sceptiques prétendent que l'une des explications de la faiblesse de la gravité réside dans le fait qu'il existe de toutes petites dimensions supplémentaires de l'espace. Selon cette théorie, la gravité est vraiment forte et semble juste être faible, car elle peut "fuir" dans les dimensions supplémentaires. Une fois que nous aurons commencé à sonder ces dimensions minuscules, la forte gravité pourrait peut-être faire un trou noir. Malheureusement pour les amateurs de trous noirs, personne n'a trouvé de preuve de l'existence de dimensions supplémentaires, et si elles n'existent pas, le LHC ne peut pas créer de trous noirs.

Ainsi, toute l'idée sous-jacente de ce danger potentiel particulier repose sur une longue perspective. Cependant, même dans le cas improbable où des dimensions supplémentaires sont réelles et qu'un trou noir peut être créé, il existe une bonne raison de ne pas craindre que des trous noirs endommagent la Terre.

Le rayonnement de Hawking est le bouclier contre ce danger hypothétique. Proposé en 1974 par Steven Hawking, le rayonnement de Hawking consiste essentiellement en l’évaporation d’un trou noir causée par ses interactions avec des particules créées à proximité du trou. Alors que les trous noirs absorbent le matériau environnant et se développent, un trou noir isolé perd lentement de la masse.

Le mécanisme est un mécanisme quantique, impliquant la formation de paires de particules près de la surface du trou. Une particule ira dans le trou, mais l'autre s'échappera et emportera de l'énergie. Comme, selon la théorie de la relativité générale d’Einstein, l’énergie et la masse sont identiques, ce processus a pour effet de réduire très lentement la masse du trou noir. Même si une particule pénètre dans le trou, la perte de l'autre entraîne l'évaporation lente du trou. C'est un point délicat. La plupart des gens pensent à un trou noir la masse au centre, mais c'est en fait à la fois la masse au centre et l'énergie stockée dans le champ gravitationnel. La particule effectuant un zoom vers le centre ne fait que se déplacer dans le trou noir, tandis que la particule qui s’échappe échappe entièrement au trou noir. La masse de la particule qui s'échappe et l'énergie qu'elle transporte sont perdues dans le trou noir, ce qui réduit l'énergie du système de trou noir dans son ensemble.

Et le taux d'évaporation d'un trou dépend fortement de la taille du trou. Un grand trou noir perdra de l'énergie très lentement, mais un petit trou s'évaporera en un clin d'œil. En fait, tout trou noir que le LHC pourrait éventuellement créer, via une théorie possible, disparaîtra avant de pouvoir approcher toute autre matière à engloutir.

Simulation d'une collision de particules à l'intérieur du Large Hadron Collider, le plus grand accélérateur de particules au monde situé près de Genève, en Suisse. Lorsque deux protons entrent en collision à l'intérieur de la machine, ils créent une explosion énergétique qui génère des particules nouvelles et exotiques.

Simulation d'une collision de particules à l'intérieur du Large Hadron Collider, le plus grand accélérateur de particules au monde situé près de Genève, en Suisse. Lorsque deux protons entrent en collision à l'intérieur de la machine, ils créent une explosion énergétique qui génère des particules nouvelles et exotiques.

Crédit: CERN

Étranges étranges

Un autre danger proposé est une chose appelée strangelet. Une strangelet est une hypothétique particule subatomique composée à peu près du même nombre de quarks haut, bas et étrange.

Remarquez, il n'y a aucune preuve que les strangelets soient autre chose qu'une idée née dans l'imagination fertile d'un physicien théorique. Mais, s’ils existent, on prétend qu’une strangelet est essentiellement un catalyseur. Si cela a un impact sur la matière ordinaire, il fera en sorte que la matière qu’elle touche se transforme également en strangelet. Si l’on aboutissait à une conclusion logique, si on fabriquait une strangelet sur Terre, la planète entière s’effondrerait en une boule de matière faite de strangelets… un peu comme si on transformait la Terre en une version exotique de l’étoile à neutrons. Essentiellement, un étranglement peut être considéré comme un zombie subatomique; celui qui transforme tout ce qu’il touche en un zombie étrangle.

Mais rien ne prouve que les strangelets soient réels, cela pourrait donc suffire à empêcher certaines personnes de s’inquiéter. Cependant, il est toujours vrai que le LHC est une machine de découverte et qu'il pourrait peut-être créer une strangelet… eh bien, si elles existent vraiment. Après tout, les strangelets n’ont pas été définitivement écartés et certaines théories les favorisent. Cependant, un ancien accélérateur de particules appelé le collisionneur d'ions lourds relativistes est allé les chercher et est apparu vide.

Ce ne sont là que deux idées sur la manière dont un supercollider pourrait constituer une menace, et il y en a d'autres. Nous pourrions énumérer tous les dangers possibles, mais il reste encore quelque chose de plus troublant à garder à l’esprit: puisque nous ne savons pas ce qui nous importe quand nous commençons à l’étudier aux énergies uniquement possibles avec le LHC (c’est-à-dire le construire l’accélérateur), peut-être que quelque chose va se passer qui n’a jamais été prédit. Et, étant donné notre ignorance, peut-être que ce phénomène inattendu pourrait être dangereux.

Et c'est cette dernière inquiétude qui aurait pu potentiellement être si troublante pour les créateurs du LHC. Quand tu ne sais pas ce que tu ne sais pas, tu… bien… tu ne sais pas. Une telle question nécessite une réponse puissante et définitive. Et le voici…

Pourquoi le LHC est totalement sûr

Compte tenu de la nature exploratoire du programme de recherche du LHC, il faut une raison absolue qui démontre que l’installation est sûre, même si personne ne sait ce que le LHC pourrait rencontrer.

Les trous noirs sont des régions étranges où la gravité est assez forte pour plier la lumière, déformer l'espace et déformer le temps.

Les trous noirs sont des régions étranges où la gravité est assez forte pour plier la lumière, déformer l'espace et déformer le temps.

Crédit: Karl Tate / Space.com

Heureusement, nous avons la réponse la plus convaincante: la nature a mené l'équivalent d'innombrables expériences sur le LHC depuis le début de l'univers - et continue de le faire, chaque jour, sur Terre.

L'espace est un lieu violent, avec des étoiles qui rejettent littéralement des tonnes de matériaux à la seconde - et c'est le pire des phénomènes. Des supernovas se produisent, des étoiles filant à travers le cosmos. Les étoiles à neutrons peuvent utiliser des champs magnétiques intenses pour accélérer les particules d’un côté à l’autre de l’univers. Des paires de trous noirs en orbite peuvent se rejoindre, bouleversant le tissu même de l'espace.

Tous ces phénomènes, ainsi que de nombreux autres, entraînent la projection de particules subatomiques dans l’espace. Principalement constituées de protons, ces particules parcourent les longueurs de l'univers et ne s'arrêtent que lorsqu'un peu de matière gênant leur échappe.

Et, à l'occasion, ce morceau de matière qui dérange, c'est la Terre. Nous appelons ces balles intergalactiques - principalement des protons à haute énergie - des "rayons cosmiques". Les rayons cosmiques transportent une gamme d'énergies, allant du presque négligeable à des énergies absolument inférieures à celles du LHC.

Pour donner une idée de l'échelle, le LHC entre en collision avec des particules d'une énergie totale de 13 trillions (ou téra) électron-volts d'énergie (TeV). Le rayon cosmique de la plus haute énergie jamais enregistré était une insondable énergie de 300 000 000 TeV.

Or, les rayons cosmiques de cette énergie prodigieuse sont très rares. L'énergie des rayons cosmiques plus communs est beaucoup plus faible. Mais voici le problème: les rayons cosmiques de l’énergie d’un seul faisceau du LHC ont frappé la Terre environ un demi-quadrillion de fois par seconde. Aucun collisionneur nécessaire.

Rappelez-vous que les rayons cosmiques sont principalement des protons. En effet, presque toute la matière de l'univers est de l'hydrogène, composé d'un seul proton et d'un seul électron. Lorsqu'ils atteignent l'atmosphère terrestre, ils entrent en collision avec de l'azote, de l'oxygène ou d'autres atomes, composés de protons et de neutrons. En conséquence, les rayons cosmiques qui frappent la Terre ne sont que deux protons qui claquent ensemble - c’est exactement ce qui se passe à l’intérieur du LHC. Deux protons claquant ensemble.

Ainsi, le barrage de rayons cosmiques de l’espace fait l’équivalent de la recherche sur le LHC depuis le début de la Terre. Nous n’avons tout simplement pas le luxe de pouvoir regarder.

Maintenant, il faut faire attention. Il est facile de lancer des chiffres un peu délicatement. Alors que de nombreux rayons cosmiques frappent l'atmosphère avec les énergies du LHC, les situations entre ce qui se passe dans le LHC et ce qui se passe avec les rayons cosmiques partout sur Terre sont un peu différentes.

Les collisions de rayons cosmiques impliquent des protons se déplaçant rapidement en heurtant des protons stationnaires, tandis que les collisions au LHC impliquent deux faisceaux de protons se déplaçant rapidement en collision frontale. Les collisions frontales sont intrinsèquement plus violentes; aussi, pour faire une comparaison juste, nous devons considérer les rayons cosmiques qui sont beaucoup plus énergétiques, en particulier environ 100 000 fois plus élevés que les énergies du LHC.

Les rayons cosmiques de cette énergie sont plus rares que ceux à basse énergie, mais 500 000 000 d'entre eux frappent l'atmosphère de la Terre chaque année.

Lorsque vous vous rappelez que la Terre a 4,5 milliards d'années, vous réalisez que la Terre a subi environ 2 milliards de milliards de collisions de rayons cosmiques avec des énergies équivalentes au LHC (ou plus élevées) dans l'atmosphère depuis la formation de la Terre. Afin de faire autant de collisions, nous aurions besoin de faire fonctionner le LHC de manière continue pendant 70 ans. Étant donné que nous sommes toujours là, nous pouvons conclure que nous sommes en sécurité.

Mais pour être absolument sûr...

L'argument des rayons cosmiques est fantastique, car il est indépendant de tout danger possible pour le LHC, y compris de ceux que nous n'avions pas encore imaginés. Cependant, il existe une échappatoire susceptible de réduire la force de l'argument. Parce que les collisions de rayons cosmiques se situent entre un proton en mouvement rapide et un proton stationnaire, la particule "dangereuse" (quelle qu'elle soit) se forme à grande vitesse et peut sortir de la Terre avant qu'elle ait le temps de l'endommager. (C'est comme au billard quand une boule de frappe frappe une autre balle. Après l'impact, au moins un, et souvent les deux, volent.) En revanche, les faisceaux du LHC frappent de front, créant ainsi des objets stationnaires. (Pensez à deux voitures identiques avec des vitesses identiques qui frappent de plein fouet.) Peut-être qu’elles resteront là et feront un carnage sur le globe.

Mais il y a une réponse à cela aussi. J'ai choisi la Terre parce qu'elle nous est chère, mais la Terre n'est pas la seule à être touchée par les rayons cosmiques. Le soleil est également touché; et lorsqu'un rayon cosmique frappe le soleil, il peut constituer un produit «dangereux» à haute énergie, mais ce produit doit alors voyager à travers une quantité de matière bien plus importante. Et cela ne prend pas en compte que le soleil est beaucoup plus grande que la Terre, elle subit donc beaucoup plus de collisions à haute énergie que notre planète.

De plus, nous pouvons augmenter le nombre de cibles cosmiques pour inclure les étoiles à neutrons, constituées d'une matière si dense que tout élément potentiellement dangereux que nous pourrions envisager s'arrêtera de mort dans l'étoile à neutrons juste après sa fabrication. Et pourtant, le soleil et les étoiles à neutrons que nous voyons dans l'univers sont toujours là. Ils n'ont pas disparu.

Sécurité assurée!

Donc, cet argument est la ligne du bas. Lorsque vous demandez si le LHC est en sécurité, vous devez vous rendre compte que l'univers a déjà effectué les expériences pour nous.

Si vous êtes un expert spécialisé - chercheur, dirigeant d'entreprise, auteur ou innovateur - et que vous souhaitez contribuer à la rédaction d'un éditorial, écrivez-nous ici.

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Les rayons cosmiques frappent la Terre, le soleil, d'autres étoiles et tous les habitants de la myriade de l'univers avec des énergies bien supérieures à celles du LHC. Ça arrive tout le temps. S'il y avait un danger, nous verrions certains de ces objets disparaître sous nos yeux. Et pourtant nous ne le faisons pas. Ainsi, nous pouvons en conclure que quoi qu’il se passe dans le LHC, cela pose exactement, de manière indiscutable, zéro danger. Et vous ne pouvez pas oublier le point crucial que cet argument fonctionne pour tous les dangers imaginables, y compris ceux que personne n'a encore imaginé.

Alors, après avoir établi la sécurité absolue du LHC, quoi alors? Eh bien, nous espérons absolument que nous faire faire des trous noirs dans le LHC - comme expliqué, ils seraient minuscules et ne dévoreraient pas la planète. Si nous voyons de petits trous noirs, nous aurons compris pourquoi la gravité semble si faible. Nous aurons probablement établi qu'il existe des dimensions supplémentaires d'espace. Nous serons beaucoup plus près de trouver une théorie de tout, une théorie tellement persuasive, simple et concise que nous pourrons écrire son équation sur un t-shirt.

Nous sommes maintenant assurés que le LHC est totalement sûr, mais il était absolument vrai que la question de la sécurité était importante pour les scientifiques. En fait, l'exercice dans son ensemble était satisfaisant, car il utilisait les meilleurs principes scientifiques pour arriver à une conclusion définitive que tout le monde peut convenir est valable. Nous pouvons donc maintenant repousser les limites de notre ignorance, avec seulement notre enthousiasme croissant pour la perspective d’une découverte susceptible de nous distraire.

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