Archives pour l'étiquette LHC

Le CERN en 13 photos de 2016

Bonne année 2017 !

Pour commencer l’année, voici ma sélection d’une photo par mois prises en 2016 au CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire), pour parler un peu de tous les projets, et pas seulement de l’accélérateur de particules LHC. Vous noterez néanmoins que 3 photos sont liées au HL-LHC qui rentrera en service en 2026 et constituera une amélioration majeure du LHC.

Mais avant tout, voici ma photo préférée hors catégorie pour 2016 : une photo prise en Novembre 2016 du calorimètre 4-Pi de nTOF EAR1. Cette expérience de physique s’intéresse au temps de vol des neutrons pour déterminer avec précision leur énergie cinétique et ainsi mieux les comprendre. Ces neutrons sont produits à partir de collisions entre un faisceau de protons pulsé de 20 GeV/c du Proton-Synchrotron (PS) et d’une cible fixe de spallation en plomb. Après 185 mètres de vol, les neutrons arrivent dans ce calorimètre pour mesurer leur énergie.

© CERN. Photograph: Brice, Maximilien

Janvier 2016

Transport du TDI pour HL-LHC. Le TDI (Target Dump Injection) permet d’absorber les éventuelles pertes de faisceau lors de son injection entre une ligne de transfert et un accélérateur. Cet élément est ainsi une protection de la machine pour éviter d’éventuels dommages occasionnés par le faisceau si son insertion dans la machine est défaillante.

© CERN. Photograph: Bennett, Sophia Elizabeth

Février 2016

Installation de la cellule plasma de AWAKE dans l’ancienne zone souterraine de CNGS. Voir mon billet de l’année dernière sur AWAKE qui accélèrera très prochainement des électrons par effet sillage dans un plasma de rubidium à partir d’un faisceau de protons de 400 GeV provenant du SPS.

© CERN. Photograph: Brice, Maximilien

Mars 2016

Test de modules pour HIE-ISOLDE en salle blanche au SM18. Isolde est une expérience de séparation d’isotopes pour produire des éléments exotiques. HIE-ISOLDE permettra de ré-accélérer à hautes énergies (jusqu’à 5,5 MeV/u) des faisceaux d’ions radioactifs créés à partir de collisions entre un faisceau de protons de 1.4 GeV issu du PSB (Proton-Synchrotron Booster) et d’une cible fixe.

© CERN. Photograph: Brice, Maximilien

Avril 2016

Prototype d’écran de faisceau pour le FCC-hh. Vous connaissez ce projet d’accélérateur de particules de 100 km de circonférence ? C’est le FCC (Future Circular Collider). Voir ce billet de juillet 2015 pour plus d’informations. L’écran de faisceau permet de capturer toutes les sources de chaleur (lumière synchrotron, courant image, nuage d’électrons) issus du faisceau pour limiter les charges thermiques sur les aimants supraconducteurs refroidis à très basse température tout en assurant un vide extrême dans le tube faisceau.

© CERN. Photograph: Brice, Maximilien

Mai 2016

Premier câble supraconducteur en niobium-étain pour le HL-LHC en train d’être fabriqué à l’aide d’une machine Rutherford au bâtiment 163. Ce câble sera utilisé dans un dipôle de 11 Teslas ! Les câbles supraconducteurs des aimants du LHC sont actuellement tous en niobium-titane et produisent un champ magnétique de 8 Teslas. A partir de 2026, le HL-LHC possèdera 8 nouveaux dipôles de 11 Teslas et 24 nouveaux quadrupôles de 12 Teslas autour des points de collisions de ATLAS et CMS. C’est plus de 1 km de LHC qui sera remplacé.

© CERN. Photograph: Brice, Maximilien

Juin 2016

Un bébé faucon sauvé par un employé sur un parking du CERN à Meyrin. Il a été remis aux autorités compétentes pour le nourrir et le protéger. Il sera ensuite remis en liberté dans la région.

© CERN. Photograph: Bennett, Sophia Elizabeth

Juillet 2016

Le groupe de rock « MUSE » visite le Centre de Contrôle du CERN (CCC) en présence de Mike Lamont, le chef de l’opération des accélérateurs (à gauche). C’est depuis cette salle que tous les accélérateurs et leurs infrastructures sont pilotés 7j/7 et 24h/24. Le CERN reçoit régulièrement des « VIP » souhaitant visiter ses installations et le CERN reçoit au total plus de 100 000 visiteurs par an !  Si l’envie vous prend, n’hésitez pas : https://visit.cern/

© CERN. Photograph: Brice, Maximilien

Aout 2016

Salle de contrôle du centre de calcul (bâtiment 513). Tout est « vert » : les données issues des collisions des détecteurs du LHC sont en sécurité.

© CERN. Photograph: Brice, Maximilien

Septembre 2016

Expérience ALFA, au point 1 du LHC (détecteur ATLAS). ALFA (Absolute Luminosity For ATLAS) est constitué de 4 « pots romains » (2 de chaque côté du point de collision) qui permettent de mesurer la luminosité lors des collisions élastiques de protons dans le détecteur ATLAS. Ces collisions élastiques n’ont lieu que lorsque les faisceaux se croisent avec un angle très faible dans le LHC (avec un très grand beta*). Dans ce cas, les protons se « traversent » l’un l’autre tout en restant intacts mais en changeant de direction. Un article récent du bulletin du CERN explique tout cela assez clairement. Extrait: « L’objectif de physique de l’expérience ATLAS/ALFA consiste également à réaliser une mesure précise de la section efficace proton-proton totale, puis d’utiliser cette mesure afin de déterminer la luminosité absolue du LHC au point 1 pour l’exploitation avec un bêta étoile de 2,5 km. »

© CERN. Photograph: Suykerbuyk, Ronaldus

Octobre 2016

Fin des travaux de ICARUS au bâtiment 156 avant son transport vers les USA. ICARUS est un ancien détecteur de neutrinos utilisé au laboratoire de Gran Sasso en Italie en collaboration avec le CERN (ancienne expérience CNGS). Ce détecteur a été entièrement « remis à jour » au CERN cette année pour être réutilisé dans deux nouvelles expériences de neutrinos à Fermilab aux USA près de Chicago.

© CERN.Photograph: Steyaert, Didier.

Novembre 2016

Premier faisceau dans le tout nouveau décélérateur ELENA. Eh oui, au CERN, on ne fait pas qu’accélérer des protons, on décélère aussi des anti-protons pour étudier l’antimatière. ELENA permet de décélérer encore plus des anti-protons venant de AD (Antiproton Decelerator) jusqu’à 5,3 MeV.

© CERN. Photograph: Brice, Maximilien

Décembre 2016

Non ce n’est pas un gâteau d’anniversaire mais un prototype de quadrupôle 12 Teslas pour le HL-LHC imprimé en 3D. Les futurs quadrupôles du HL-LHC permettront de beaucoup plus concentrer les faisceaux qu’avec le LHC pour produire 10 fois plus de collisions dans le même temps. Les imprimantes 3D permettent aujourd’hui de concevoir des prototypes réalistes en peu de temps et à moindre coût avant de passer au prototypage avec les matériaux réels souvent très onéreux.

© CERN. Photograph: Bennett, Sophia Elizabeth.

FCC: le CERN étudie un accélérateur de 100 km !

Nom de code : FCC pour Future Circular Collider, c’est le nom du projet qui regroupe un ensemble d’études pour des futurs grands accélérateurs de particules circulaires de l’ordre de 100 km de circonférence dans la région de Genève où le CERN exploite actuellement le plus grand accélérateur de particules du monde, le LHC (Large Hadron Collider), qui mesure 27 km de circonférence.

FCC_planLocalisation du FCC par rapport au LHC dans la région genevoise. Le FCC passerait sous le lac Léman  et contournerait le massif du Salève entre Suisse, Ain et Haute Savoie. © CERN.

Un accélérateur de 100 km pour faire quoi ?

Si le LHC ne trouve pas de nouvelles particules jusqu’à son énergie maximale en 2018  (14 TeV au centre de masse), cela peut signifier qu’il y a peut-être des particules encore plus massives au-delà de cette énergie qui pourraient répondre aux questions des physiciens qui restent toujours en suspens:

  • Qu’est-ce que la matière noire ?
  • Quelles sont tous les constituants de la matière ?
  • Quelle est l’origine de l’asymétrie matière/antimatière ?
  • Pourquoi la masse des neutrinos est si petite et ont-ils des partenaires super-massifs ?
  • Les particules ont-elles des partenaires super-symétriques ?
  • Y a-t-il d’autres forces dans la nature à plus hautes énergies ?

La communauté internationale s’est donc fixé une limite de 100 TeV au centre de masse (soit 7 fois plus que le LHC) pour repousser cette limite où notre technologie future devrait pouvoir nous conduire mais il y a beaucoup de recherche et de développement à faire pour arriver à ce résultat extrêmement ambitieux. Beaucoup de gens du métier disent que « c’est complètement fou, c’est impossible » mais un ancien responsable de la construction du LHC me disait il y a quelques mois que « c’est exactement ce que tout le monde disait dans les années 80 en parlant du LHC, mais c’est aujourd’hui une réalité et un succès, alors pourquoi serait-ce différent avec le FCC ? ».

En effet, maintenant que le LHC fournit ses résultats et que le boson de Higgs a été découvert à une énergie de 125 GeV, la communauté internationale étudie dès à présent l’ère post-LHC.  Lors de la dernière réunion de la stratégie européenne en physique des particules à Bruxelles en mai 2013, plusieurs grandes priorités pour l’Europe ont été définies dont la nécessité de commencer à étudier des accélérateurs protons-protons et électron-positrons repoussant la limite d’énergie à la frontière des technologies possibles (voir le résumé ici).

FCC_membersParticipants au meeting du coup d’envoi pour le FCC à l’université de Genève en février 2014. ©CERN.

Le CERN doit maintenant rendre une étude conceptuelle détaillée (CDR pour Conceptual Design Report) comprenant les différents aspects du FCC pour la physique, les détecteurs, les accélérateurs et les infrastructures associées pour 2018, date à laquelle une décision devrait être prise par l’Europe, tout en considérant les données fournies par le LHC pendant sa deuxième phase d’exploitation 2015-2018.

Les différents projets

Le FCC encapsule 3 projets de collisionneurs circulaires d’une centaine de kilomètres :

  • FCC-hh : Un collisionneur hadronique proton-proton avec une énergie de 100 TeV au centre de masse (pour comparaison, le LHC est à 14 TeV)
  • FCC-ee (anciennement dénommé TLEP) : Un collisionneur leptonique électron-positron fournissant des faisceaux à des énergies de 45 GeV à 175 GeV (pour comparaison, le LEP2 était à 104 GeV par faisceau).
  • FCC-he : Un collisionneur lepton/hadron réalisant des collisions entre des protons et des électrons à ces énergies.

Le FCC-ee serait en fait une étape intermédiaire pour étudier les bosons W/Z ainsi que le quark top et bien sûr le boson de Higgs en détail avant de construire le FCC-hh qui serait véritablement le projet final pour repousser la limite de l’énergie et trouver de nouvelles particules massives. L’approche est un peu analogue avec l’expérience du LEP (électron/positron) qui a cédé la place au LHC (proton/proton) par la suite.

La taille du FCC n’est pas encore arrêtée car elle est fonction des surcoûts liés au génie civil (plus c’est grand, plus c’est cher) et au surcoût engendré par les aimants qui doivent être plus puissants si l’accélérateur est plus petit pour la même énergie. De plus, les contraintes géographiques peuvent avoir un impact significatif (lac, montagne, …) sur le génie civil. Les études portent donc sur des versions à 80 km et à 100 km de circonférence pour comparer sérieusement les différentes options qui peuvent s’offrir à nous.

Dans ces 3 projets ambitieux, plusieurs technologies clef sont encore à démontrer pour leur faisabilité, en particulier :

  • Pour le FCC-hh : la capacité de fabriquer en grande quantité des aimants supraconducteurs de 16 Teslas (pour la version 100 km) ou 20 Teslas (pour la version 80km).
  • La capacité de refroidir à une température cryogénique l’ensemble des 100 km d’aimants supraconducteurs de manière réaliste et fiable.
  • Pour le FCC-ee : La capacité de développer des structures accélératrices plus efficaces car il faut compenser environ 7,5 GeV de perte synchrotrons à chaque tour pour des électrons, soit une puissance de 50 MW à apporter à chaque faisceau de manière continue.

 FCC_cryoEvolution de la capacité de refroidissement cryogénique à 4,5 K nécessaire aux accélérateurs existants et projection pour le FCC. © Laurent Tavian.

Le coût

En termes de coût, il est actuellement impossible de donner un chiffre car il y a encore de nombreuses inconnues mais on peut tenter d’extrapoler à partir des expériences passées (LEP et LHC). On peut ainsi estimer le coût à environ 8 milliards d’euros pour le FCC-hh et à 1,5 milliards d’euros pour le FCC-ee (source ici). En termes de consommation électrique, il faut compter environ 450 MW pour le FCC-hh, ce qui représente 4 fois la consommation du LHC. C’est beaucoup mais ça reste dans le domaine du possible sous réserve de développer quelques nouvelles technologies, d’autant que le coût de construction est à distribuer sur au moins une décennie et à répartir entre tous les pays membres du CERN, soit 28 pays.

Plus d’info :

Semaine speciale boson de Higgs sur Strip Science

Je vous invite a decouvrir cette semaine une Semaine Speciale Boson de Higgs sur Strip Science qui va republier des billets du C@fé des Sciences assortis d’illustrations originales de la part de Strip Science.

Le Boson de Higgs découvert au CERN

Toute la communauté de physique des particules est en effervescence car on ne comprend toujours pas précisément le monde qui nous entoure et la Science vient de faire un petit pas cette année !

L’année dernière, le CERN annonçait qu’il ne pouvait se prononcer quant à la détection ou non du boson de Higgs, une particule prédite par la théorie mais toujours pas détectée, car les données n’étaient pas encore suffisantes (voir mon billet de l’année dernière). Ce 4 Juillet 2012, des milliards de milliards de collisions plus tard , le CERN vient d’annoncer qu’une nouvelle particule de 125 GeV/c² a été détectée avec un intervalle de confiance de plus de 99.99% (un écart type de 5 sigmas pour les mathématiciens) et il semblerait que ce soit le boson de Higgs, mais reste à prouver que c’est bien lui…

 Un boson c’est quoi au fait ?

Les physiciens aiment bien faire des catégories et ranger leurs particules dans des boites plus ou moins grandes. Les particules peuvent par exemple être séparées en 2 grands ensembles selon leur comportement:

  • Les Fermions : obéissent à la statistique de Fermi-Dirac
  • Les Bosons : obéissent à la statistique de Bose-Einstein

Ces 2 catégories de particules se distinguent par ce que les physiciens appellent leur spin. Le spin est un peu comme la capacité de la particule à tourner sur elle-même. A chaque particule, on attribue un nombre de spin qui permet de caractériser cette rotation. Les bosons ont un spin entier comme le photon par exemple (spin=1). Au contraire, les fermions sont des particules ayant un spin demi-entier (1/2, 3/2, 5/2…) comme l’électron (spin=1/2).

Les Fermions

Les fermions constituent l’essentiel de la matière qui nous entoure (les quarks et les électrons) car ces derniers ne peuvent pas se trouver dans le même état d’énergie ensemble (c’est ce qu’on appelle le principe d’exclusion de Pauli). Ceci a pour conséquence qu’un assemblage de fermions forme une structure de matière rigide comme dans les atomes et les molécules qui constituent notre environnement quotidien.

Les Bosons

Au contraire, les bosons peuvent tous être dans le même état d’énergie et on ne peut pas forcément distinguer les différentes particules les unes des autres. Les bosons sont les vecteurs des forces entre les fermions (la force électromagnétique, la force forte et faible). Pareil pour notre désormais célèbre boson de Higgs qui donne une masse aux autres particules (aux autres fermions et aussi aux autres bosons).

Ce comportement bosonique (toutes les particules dans le même état) est directement observable à notre échelle comme dans un laser où tous les photons sont dans le même état et induisent une lumière cohérente (couleur unique en ligne bien droite). C’est également parce que l’hélium-4 est un boson que l’on peut observer la superfluidité de l’hélium à basse température. La supraconductivité aussi provient du fait que les paires d’électrons se comportent comme un seul boson (spin=1/2+1/2=1) à basse température et peuvent ainsi se déplacer sans perte dans un conducteur. Voir ce billet pour ces comportements atypiques de la matière.

Et si ce n’était pas notre bon vieux Higgs ?

Le dernier accélérateur de particules du CERN, le LHC, doit observer un certain taux de production de ce fameux boson de Higgs selon plusieurs modes de désintégrations possibles. Premièrement, le Higgs peut être créé lors d’une collision proton-proton selon différents processus, voir les petits dessins plus bas, appelés diagrammes de Feynman, où notre Higgs est représenté par la lettre « H » :

 

Ensuite, le Higgs peut se désintégrer selon plusieurs modes et c’est ce que les détecteurs de particules regardent. En particulier, les détecteurs regardent les « canaux » suivants :

  • Un Higgs se désintègre en 2 photons
  • Un Higgs se désintègre en 2 bosons Z
  • Un Higgs se désintègre en 2 bosons W
  • Un Higgs se désintègre en 2 tau
  • Un Higgs se désintègre en 2 quarks/antiquark b

Ensuite ces particules secondaires se désintègrent à leur tour selon différents modes possibles également et au total, c’est environ 85 modes de désintégrations qui sont analysés dans les détecteurs.

 

Deux gluons fusionnent pour donner un Higgs qui se désintègre en 2 bosons W

Ces différents processus de désintégrations sont expliqués par le modèle standard, la théorie actuelle qui marche pour ce que l’on a observé jusqu’à présent mais si le LHC observe plus ou moins de Higgs que prévu selon ces différents scénarios, c’est le modèle sur lequel se base toute la physique depuis les années 60 qui serait remis en question ! A partir d’ici, tout est permis et les physiciens ne sont pas en manque d’imagination pour expliquer telle ou telle anomalie du modèle standard qui ouvrirait alors une nouvelle physique. Ces anomalies pourraient par exemple provenir d’une autre particule chargée non prévue par le modèle standard.

Bref, les physiciens ont du pain sur la planche et le LHC relance la recherche internationale pour la compréhension de notre monde et c’est parti pour durer un certain nombre d’années de recherche et d’affinement des mesures du Higgs pour le regarder sous toutes les coutures et voir s’il se tient à carreaux ou si il fait des choses plus « exotiques ».

Certes, pour le commun des mortels, le fait que le boson de Higgs soit différent de ce que prédit le modèle ne va pas changer grand chose. Mais il ne faut pas oublier notre histoire et que chaque remise en question de la physique d’une époque a débouché sur de grandes avancées scientifiques et technologiques. Et puis n’oublions pas que pour trouver ce boson de Higgs, l’homme a dû construire des machines et de détecteurs complexes qui ont de nombreuses applications dans les technologies de l’information et dans l’imagerie médicale.

Et après ?

Le LHC doit poursuivre sa campagne de collisions jusqu’à mars 2013, ce qui permettra encore d’affiner les résultats et de s’assurer que le Higgs colle dans certains modèles ou pas. Ensuite, le CERN va passer un an et demi à consolider cet accélérateur de particules car le LHC fonctionne aujourd’hui à un peu plus de la moitié de sa puissance seulement (mais c’est déjà beaucoup). Il devrait alors repartir à quasiment sa puissance maximale en 2015 pour fournir de nouveaux résultats à des énergies que nous n’avons jamais explorées.

Le problème est que le LHC est une machine de découverte qui fait beaucoup de collisions entre protons et qui balaye une grande portion d’énergie mais ce n’est pas la meilleure machine pour étudier le Higgs en détail. La communauté de physique planche désormais plus sérieusement sur l’après-LHC qui permettra d’étudier en détail le Higgs maintenant que nous savons où il se cachait. Ce sera sans doute un accélérateur linéaire d’électrons et de positrons qui ferait plus de 30 kilomètres de long. Actuellement, les deux projets les plus sérieux et avancés sont l’ILC (International Linear Collider) et le CLIC (Compact Linear Collider). L’ILC permettrait des collisions à 1 TeV et serait sans doute aux USA ou au Japon et le CLIC permettrait des collisions à 3 TeV et serait sans doute au CERN à Genève. Ce choix sera sans doute à faire par la communauté internationale dans les 5 prochaines années selon les résultats du LHC. Affaire à suivre…

 

Prototype test pour le CLIC au CERN (CTF3)

 Quelques liens utiles :

Le LHC et le Boson de Higgs

Non ce n’est pas une fable de la Fontaine mais une épopée de la physique moderne : la traque d’une particule invisible par un accélérateur de particules de 27 km de circonférence…

Aujourd’hui à 14h, une conférence donnée au CERN par les 2 porte-paroles des expériences phares du LHC (ATLAS et CMS) faisait un résumé des résultats obtenus grâce à l’accélérateur de particules LHC lors de la campagne de collisions 2011. Je vais donc essayer de vous faire un résumé compréhensible de cette conférence à laquelle j’ai assisté cette après-midi.

Les résultats des 2 expériences indépendantes sont très similaires et indiquent deux grandes tendances:

  • Le modèle standard de la physique des particules fonctionne comme prévu à 7 TeV (l’énergie maximale des collisions du LHC en 2011).
  • Le boson de Higgs n’a plus beaucoup d’endroits où se cacher et il commencerait à montrer le bout de son nez vers une énergie de 125 GeV mais pas encore de quoi annoncer sa découverte.

 Le modèle standard

Le modèle standard de la physique des particules est la théorie physique utilisée aujourd’hui pour décrire la matière et ses interactions. L’objectif des accélérateurs de particules est de tester cette théorie autant que possible pour voir si la nature est bien celle que les physiciens imaginent, voir ce billet que j’ai écrit il y a quelques mois à ce sujet.

Le LHC ouvre à présent une nouvelle gamme d’énergie encore jamais explorée par les accélérateurs et c’est pour cela que les physiciens sont un peu fébriles. Après plusieurs milliards de milliards de collisions effectuées et analysées durant cette année 2011, les particules se sont comportées comme la théorie le prévoit et le modèle standard se trouve ainsi conforté.

 Le Boson de Higgs

Le boson de Higgs est une particule un peu à part dans ce modèle standard car elle permet d’expliquer la masse de toutes les autres particules, constituant ainsi la pierre angulaire de cette théorie. Le problème est que ce boson de Higgs a une section efficace extrêmement faible, ce qui signifie qu’il faut faire des milliards de milliards de collisions pour voir 1 seul boson de Higgs, ce qui explique entre autre pourquoi aucun accélérateur n’a encore été capable de le voir. Voir ce billet qui explique tout ça par rapport à la campagne de collisions du LHC en 2010.

De plus, les physiciens ne savent pas exactement quelle est la masse du Higgs, ou son énergie, rappelez-vous que masse et énergie sont équivalentes selon la relativité restreinte d’Einstein (E= mc²). Plusieurs théories existent et peuvent expliquer le boson de Higgs à différentes énergies mais pour trancher, il faut le « voir » et donc faire des expériences, ceci étant le but du LHC. Les accélérateurs vont donc balayer petit à petit des bandes d’énergies pour voir si le boson de Higgs se cache à l’intérieur.

Deux grands principes sont à garder à l’esprit:

  • Plus l’énergie de la particule recherchée est importante, plus l’accélérateur doit être puissant.
  • Plus la section efficace est petite, plus le nombre de collisions doit être important pour voir statistiquement la particule recherchée.

Le LHC essaye donc de faire le plus de collisions possible à des énergies les plus hautes possibles pour « voir » ce boson de Higgs.

Comment « voir » le Higgs ?

Le boson de Higgs n’est pas directement détectable car sa durée de vie est trop faible. On cherche donc des particules qui pourraient être issues de sa désintégration en d’autres particules. Selon la masse du Higgs (toujours inconnue), les schémas de désintégration sont différents les uns des autres. Dans le cas du LHC, on cherche un boson de Higgs ayant une masse comprise entre 115 GeV et 600 GeV car les accélérateurs précédents ont écarté un Higgs en dessous de 115 GeV, et au dessus de 600 GeV le modèle standard ne marche plus.

Au total, les expériences ATLAS et CMS balayent ainsi une dizaine de schémas de désintégration possibles pour le Higgs. Par exemple dans l’hypothèse d’un Higgs léger entre 110 et 150 GeV, il peut se désintégrer en 2 photons gamma émis dans 2 directions opposées.

C’est cette dernière désintégration qui semble aujourd’hui sortir un peu du lot suite aux observations faites par ATLAS et CMS. Mais encore une fois, pour être certain que les mesures sont fiables, il faut valider statistiquement les mesures accumulées ce qui nécessite une quantité de données absolument gigantesque tant l’évènement de voir un Higgs est rare.

Les 2 expériences ont vu se dessiner un pic dans les collisions analysées qui indiquerait que le boson de Higgs aurait une masse proche de 125 GeV, voir les graphiques ci-dessous. Pour lire ces graphiques,  tant que la courbe noire (mesure) reste dans les bandes jaunes ou vertes, on ne peut rien dire car ces 2 courbes symbolisent l’incertitude des mesures. En revanche, dès que des données commencent à « sortir » de ces bandes, c’est que le Higgs pourrait se cacher à cet endroit.

Résultats préliminaires de ATLAS et CMS dans la recherche du Boson de Higgs dans l’hypothèse d’un boson de Higgs autour de 125 GeV issu d’une désintégration en 2 photons gamma.

Conclusion

Une tendance commence donc à apparaître pour un Higgs vers 125 GeV mais ce n’est pas encore assez pour certifier que le Higgs existe à cette énergie. Pour l’instant ATLAS estime la masse possible entre 116 GeV et 130 GeV et CMS entre 115 GeV et 127 GeV (les zones autour ont été exclues).

Pour valider ce résultat, il faudra accumuler encore plus de données pour voir si ce pic va être lissé ou bien s’accentuer, auquel cas l’existence du Higgs ne fera plus de doute. Si les attentes du CERN pour 2012 sont remplies, il y aura 4 fois plus de données à analyser dans un an et cette accumulation de collisions permettra de trancher la question du boson de Higgs avec 99% de certitude.

Fable à suivre…

LHC : Objectif 2010 atteint

La semaine dernière, le CERN annonçait fièrement que le LHC avait atteint ses objectifs pour 2010 : la machine a délivré 2 inverse picobarns aux différents détecteurs, or, la plupart des gens n’ont jamais entendu le mot « picobarn » de leur vie… La raison est simple: peu de gens sont physiciens des particules !

 CMS event

Collision proton-proton dans le détecteur CMS du LHC le 9 Juillet 2010. © CERN.

 Je n’appartiens pas non plus à la catégorie des physiciens des particules, néanmoins j’entends souvent ces mots au CERN lors de communiqués officiels comme celui-ci.  J’ai donc cherché à savoir ce que se cachait derrière ces mots abscons pour nous autres, les personnes « normales ».

Le Barn

Le barn est tout simplement une unité de surface étant de l’ordre de la section géométrique du noyau d’un atome. En gros, vous prenez le noyau d’un atome (ayant un rayon d’environ 10-12 cm), vous le coupez en deux et la surface de cette coupe est environ égale à 1 barn, soit 0,00000000000000000000001cm², ou plus simplement 10-24 cm². Par exemple, le noyau d’un atome d’uranium (un des plus gros noyaux) possède une section géométrique de 1,5 barn.

Section efficace et géométrique

Le problème c’est que lorsqu’on observe des réactions nucléaires (interactions entre les noyaux des atomes), ou des collisions de particules entres elles ou contre des cibles, les atomes paraissent avoir une section plus grande ou plus faible selon les phénomènes observés. Pour rendre compte de ce problème, les physiciens ont alors introduit une section dite efficace, plus significative que la section géométrique réelle des noyaux des atomes. La section efficace d’un noyau, représentée par la lettre grecque sigma, n’est pas constante pour une particule donnée et est finalement assez peu dépendante de la taille réelle du noyau mais varie significativement selon sa vitesse et le type de réaction ou collision.

Cette section efficace rend compte de la probabilité d’interaction d’une particule pour une réaction précise (une collision, une réaction nucléaire, etc). Plus la section efficace est élevée, plus la réaction étudiée a des chances de se réaliser. Par exemple, la section efficace de l’absorption d’un neutron lent dans la matière est supérieure à 1000 barns alors que la section efficace des phénomènes étudiés dans les collisions des accélérateurs de particules comme le LHC est de l’ordre du picobarn (10-12 barn), voir du femtobarn (10-15 barn).  Un femtobarn, c’est comme si les noyaux étaient un million de milliards de fois plus petits (et dieu sait s’ils sont déjà petits).

Autant dire que les accélérateurs recherchent des évènements extrêmement rares à observer dans une collision. Prenons le cas du LHC et du fameux boson de Higgs tant recherché. Nous ne connaissons pas encore sa masse exacte, si elle existe, mais on peut toutefois calculer la section efficace de différents phénomènes pouvant lui donner naissance dans le LHC. La figure ci-dessous nous dit que la section efficace du boson de Higgs pourrait se situer entre 10 picobarns et 0,1 femtobarn selon les différents phénomènes possibles si sa masse est comprise entre 300 GeV et 1000 GeV. Autrement dit: Il faut enregistrer au moins dix milles milliards de collisions pour avoir
la chance de voir un Higgs !!!

 Higgs Crosssection

Sections efficaces possibles pour la production d’un boson de Higgs dans le LHC en fonction de la masse de ce dernier. Dan Green, Fermilab (2005)

 La luminosité

On aura donc compris la chose suivante: ce qui intéresse les accélérateurs de particules, c’est de produire le plus de collisions possibles.

Pour évaluer cette capacité, on calcule une grandeur appelée luminosité. Le principe en est simple : compter le nombre de particules qui se croisent dans un cm² à chaque seconde. Ainsi, la luminosité est calculée par la formule suivante :
Eq luminosite

avec f la fréquence de croisement des paquets de particules, n le nombre de particules par paquet et A la section géométrique du faisceau de particules. Dans le cas du LHC, au point nominal, on obtient :

Eq lum LHC

Ce grand chiffre signifie que dix millions de milliards de milliards de milliards de particules se croisent dans un centimètre carré toute les secondes dans le LHC…

Luminosité intégrée

Le paramètre intéressant à calculer par la suite est naturellement la luminosité intégrée qui correspond à la luminosité accumulée dans le temps (c’est-à-dire la luminosité multipliée par le temps de collision de la machine). Si on reprend le cas du LHC au point de fonctionnement maximum, en 90 secondes, la machine peut ainsi fournir une luminosité intégrée de 1,3*1034 * 90 = 1036 cm-2. Pour plus de facilité, on convertit ce chiffre en barn inverse (1 b-1 = 1024 cm-2), on obtient alors une luminosité intégrée de 1012 b-1 = 1 pb-1, soit un inverse picobarn pour 90 secondes de collision dans le
LHC.

ATLAS lum

Le 10 août dernier, un détecteur de particules du LHC, ATLAS, annonçait avoir franchis la barre de 1 inverse picobarn. © ATLAS.

Etat des lieux du LHC

En ce mois d’octobre, le LHC a accumulé 2 inverse picobarns depuis sa mise en route fin mars 2010 car la machine ne fonctionne pas encore à sa luminosité maximale. Cependant, cette machine fonctionne de mieux en mieux : entre mars et août, le LHC avait fournit environ 1 inverse picobarn alors que  la semaine dernière, il lui a fallu seulement 13h pour fournir un autre inverse picobarn (la luminosité maximale était de 1032, soit 100 inverse microbarns par seconde). A titre de comparaison, il a fallu 2 ans au Tevatron  pour atteindre cette luminosité (l’autre grand accélérateur de particules aux
Etats-Unis).

L’objectif du LHC pour 2010 a ainsi été accompli en ce mois d’octobre (2 inverse picobarns). Pour 2011, la machine doit atteindre un total de 1 inverse femtobarn, soit 500 fois plus. Il ne faut pas oublier que la plupart des particules recherchées par les détecteurs du LHC sont  produites par ,des collisions ayant une section efficace entre 1 picobarn et 1 femtobarn, il faudra donc attendre que cette quantité de données soit dépassée pour pouvoir annoncer des résultats sérieux. A suivre en 2011…

 LHC_lumi-copie-1.jpg

Etat du LHC en ce dimanche 24 octobre au soir : les détecteurs ont une luminosité d’environ 100 inverse microbarn par seconde chacun.

Collisions à 7 TeV dans le LHC au CERN

Après 20 ans d’attente de la part des physiciens, le plus puissant accélérateur de particules du monde, le LHC, vient de faire ses premières collisions à 7 TeV
(Tera électronvolt), c’est un moment historique dans l’histoire de la physique des hautes énergies mais ca veut dire quoi et surtout : ca sert à quoi ?

ATLAS_7TeV.png

Mardi 20 mars 2010, 12h58 : une collision à 7 TeV dans le détecteur ATLAS ©CERN

 A quoi sert le LHC ?

Le but du LHC (Large Hadron Collider) et des expériences du CERN
(
Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) est d’approfondir les connaissances de l’homme sur l’origine de l’Univers et sur son fonctionnement ainsi que de mieux appréhender les lois de la nature pour mieux répondre à plusieurs questions fondamentales. Ici, la science ressemble plus à de la philosophie qu’à de la recherche permettant d’améliorer notre cadre de vie. Ceci s’appelle de la recherche fondamentale… Certains chercheurs peuvent parfois paraitre un peu « mystiques » par leur allure, leurs idées et leur attitude mais ils font bel et bien avancer nos connaissances et notre compréhension du monde qui nous entoure !

JohnEllis
John Ellis, un des plus grands physiciens du CERN (nobélisable) 
habillé par les 4 termes du lagrangien du modèle standard de la physique des particules.

Les physiciens espèrent répondre à de nombreuses questions grâce aux futures données produites par les expériences du LHC. La première attente est la découverte de particules super-symétriques (SUSY) pouvant permettre l’explication d’une partie de la masse manquante dans l’univers ainsi que de détecter le fameux boson de
Higgs
expliquant la masse des particules. L’étude des différences entre matière et antimatière ainsi que la découverte de dimensions supplémentaires sont également au programme de recherche.

Cependant, pour effectuer ces recherches fondamentales, le CERN doit mettre en œuvre d’innombrables nouvelles technologies de pointes en relation avec l’industrie. Le meilleur exemple est l’invention du Web au CERN à la fin des années 80 pour gérer les informations venant des expériences de la physique des particules ! En plus des très nombreuses innovations en technologies de l’information pour gérer les milliards de données produites par le LHC (les systèmes d’acquisition de données, la grille de calcul planétaire, etc.), le LHC a littéralement dopé la recherche mondiale sur la supraconductivité et la cryogénie ainsi que leurs applications industrielles pendant les 15 dernières années. Le CERN fournit également des isotopes pour la médecine et contribue à la recherche en imagerie médicale et en thérapie contre les cancers à base d’hadrons (hadronthérapie), comme par exemple à travers le projet PARTNER. Le CERN a également une vocation de formation et d’éducation et accueille des milliers d’étudiants du monde entier chaque année dans tous les domaines de la science.

Il n’y a pas que l’énergie qui compte !

Les faisceaux sont désormais stables à 3,5 TeV, soit la moitié de l’énergie maximale que le LHC pourra délivrée (7 TeV), mais l’énergie n’est pas le seul paramètre à regarder. Pour l’instant les faisceaux sont encore peu intenses. Pour réaliser de « bonnes » collisions en très grand nombre, il faut également prendre en compte de très nombreux autres paramètres. Par exemple, la luminosité et l’intensité des faisceaux sont 2 autres paramètres clés (parmi beaucoup d’autres) car ils sont directement liés au nombre de collisions produites et donc à la chance de « voir » une nouvelle particule. En effet, certains évènements sont parfois si rares qu’il faut faire tourner ces gigantesques accélérateurs de particules pendant plusieurs dizaines d’années pour valider les différentes théories. Il faut donc produire le plus grand nombre de collisions possible en le moins de temps possible!

La luminosité d’un faisceau correspond au nombre de particules passant dans une section de 1 cm² à chaque seconde et l’intensité d’un faisceau correspond au nombre
total de protons qu’il contient. Aujourd’hui, seulement 2 paquets de particules par faisceau ont circulé (le LHC peut contenir jusqu’à 2808 paquets) et la luminosité maximale autour des 10
27 protons/cm².s avec 2*1010 protons par paquet (contre une luminosité de 1034 protons/cm².s et une intensité de 1011 protons par paquet pour le fonctionnement maximal du LHC).

stable_beams_3.5TeV.JPG

Ecran général de contrôle du LHC le 30 mars 2010 après les premières collisions à 7 TeV. On peut voir l’intensité des deux faisceaux  à 2*1010 protons chacun.

Pour augmenter cette luminosité, il faut augmenter le nombre de paquets et le nombre de protons par paquets ainsi que réduire au maximum le diamètre du faisceau. Les paquets peuvent faire quelques millimètres de diamètre mais sont focalisés juste avant les points de collisions et le LHC devrait pouvoir réduire ce diamètre jusqu’à 16 micromètres, soit 3 fois plus fin qu’un cheveu humain.

Le LHC marche bien !

Aujourd’hui, le LHC a démontré son efficacité et sa prise en main rapide par les équipes d’opération du CERN : seulement quelques mois ont été nécessaires pour « apprivoiser » cette machine unique au monde par sa taille et sa complexité. Désormais, l’opération à 3,5 TeV devient facilement reproductible.    

Les opérateurs vont continuer à avancer avec cette nouvelle machine et à augmenter petit à petit l’intensité des faisceaux pour fournir une meilleure luminosité aux expériences de manière à produire le plus de collisions possibles. Le LHC va à présent fonctionner de manière quasi-continue pendant 18 à 24 mois à une énergie de 3,5 TeV par faisceau (collisions à 7 TeV).

Après un arrêt d’environ un an est planifié pour effectuer de la maintenance et renforcer les systèmes de protections des aimants suite à quoi le LHC repartira pour atteindre sa puissance maximale de 7 TeV par faisceau (collisions à 14 TeV). On espère que cette machine fonctionnera pendant une vingtaine d’années pour faire avancer la science et surtout pour donner de nouvelles directions à la physique des particules et à la cosmologie qui sont actuellement dans certaines impasses et qui attendent de nouveaux résultats pour dépasser les modèles actuels.

Liens 

Les premières collisions du LHC

Les premières collisions du LHC sont au rendez-vous !


Les premières collisions dans les 4 détecteurs du LHC le 23 novembre 2009
(CERN)

C’est un succès pour le LHC : aujourd’hui, 23 novembre 2009 à 14h22, les premières collisions proton-proton ont eu lieu à l’Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire (CERN) dans le plus puissant accélérateur de particules du monde : le LHC. Ces collisions sont le fruit de plus de 15 ans de travail de plusieurs milliers de techniciens, ingénieurs et physiciens répartis aux quatre coins du monde.

Les péripéties du LHC

Je vous rappelle que les premiers faisceaux de protons ont circulé dans le LHC à partir du 10 Septembre 2008 mais que 9 jours plus tard, un incident sur une interconnexion électrique s’est produit. L’accélérateur a été fortement endommagé sur environ 3 km et 1 an de réparation a été nécessaire aux équipes du CERN. De plus, le système de protection des aimants a été amélioré de manière à ce que cet évènement ne se reproduise pas à l’avenir.

 Redémarrage progressif du LHC

Durant les mois d’octobre et novembre, tous les indicateurs du LHC sont progressivement passés du rouge au vert, signifiant que toute la machine était prête à recevoir des faisceaux de particules pour les faire entrer en collisions. Les différents réglages ont été ajustés ces dernières semaines de manière à
commencer la campagne de collisions pour 2010 en toute sérénité sans prendre de risque.

Ecran général de contrôle de la cryogénie du LHC.   Tout est vert : le LHC est à 1,9 K (-271 °C)

Récapitulatif du redémarrage 2009 :

  • Le 8 octobre, tout le LHC était à nouveau froid : les 9000 aimants supraconducteurs répartis sur l’anneau de 27 km ont atteint la température cryogénique de 1,9 K (-271°C), nécessaire pour le fonctionnement de l’accélérateur.
  • Les particules ont fait leur réapparition à l’entrée du LHC le 23 octobre.
  • Le 19 novembre, les 1572 circuits supraconducteurs étaient tous vérifiés et testés pour permettre la circulation des faisceaux de particules dans toute la machine jusqu’à 3,5 TeV.
  • Le 20 novembre, des faisceaux ont fait plusieurs tours complets du LHC dans le sens horaire et antihoraire à l’énergie d’injection (soit 0,45 TeV).
  • Le 23 novembre, les 2 faisceaux circulaient en même temps en sens inverse pendant plusieurs heures entrainant les premières collisions dans les détecteurs ATLAS et CMS puis dans les détecteurs ALICE et LHCb.


Image du faisceau traversant un BPM (moniteur de position du faisceau) dans le sens horaire le 21 novembre

 Les détecteurs vont prendre du service

Les quatre expériences du LHC (dénommées ATLAS, CMS, ALICE et LHCb) ont donc pu « voir » leurs premières vraies collisions. Jusqu’à présent, tous ces détecteurs se contentaient de détecter les particules cosmiques qui les traversaient pour se calibrer et se paramétrer. La phase à avenir est principalement une phase de réglage final pour la machine mais également pour tous les détecteurs avant de passer aux choses sérieuses. On a beaucoup entendu
dans les couloirs du CERN aujourd’hui : « les physiciens vont enfin avoir des évènements pour faire de la physique ! ».


Détecteur CMS le 7 Novembre 2009 ayant détecté les énergies déposées par les  particules résultantes d’une éjection du faisceau de particules juste avant le détecteur lors de la phase de redémarrage de la machine (splash events). Photons, électrons ou positrons en rouge, hadrons (protons, neutrons, pions) en bleu et muons en jaune et magenta.

 Aujourd’hui est un évènement capital dans l’histoire du CERN et du LHC. Ces premières collisions ont été réalisées à une énergie de 0,9 TeV (1 TeV = 1 tera-électronvolts = 1000 milliards d’électronvolts), ce qui est une basse énergie pour le LHC mais une énergie colossale tout de même (le plus puissance
accélérateur du monde avant le LHC était le Tevatron, capable de réaliser des collisions à 1 TeV).

 Les détecteurs vont donc véritablement entrer en fonctionnement pour venir détecter, enregistrer et analyser en 3 dimensions les 600 millions de collisions générés à chaque seconde dans la machine. L’ensemble des 4 détecteurs devraient produire environ 15 millions de Giga Octets de données par an (soit une pile de CD de 20 km de haut). Toutes ces données permettront ensuite aux physiciens de confirmer ou d’infirmer leurs théories en fonction des statistiques observées lors de ces collisions.

 Le programme 2010 du LHC

Une fois les différents instruments de mesure bien calibrés, l’objectif est de monter l’énergie des faisceaux de particules à 1 TeV assez rapidement puis d’arriver progressivement aux 3,5 TeV pour la fin 2010, c’est-à-dire provoquer des collisions à 7 TeV (2 faisceaux à 3,5 Tev en collision = 7 TeV au centre de masse). Cette énergie correspond à la moitié de la  puissance théorique maximale que le LHC peut atteindre (collisions prévues à 14 TeV) mais les physiciens espèrent pouvoir récolter suffisamment de données lors de cette première phase de collisions à moindre puissance pour pouvoir faire de la « physique » et venir confirmer certaines théories comme le fameux mécanisme de Higgs permettant d’attribuer une masse aux différentes particules dans le cadre du modèle standard de la physique des particules.

 Le directeur général du CERN disait à ce propos au mois d’aout 2009 que « Nous avons choisi le chiffre de 3,5 TeV parce que cela permet aux opérateurs du LHC d’acquérir l’expérience du fonctionnement de la machine en toute sécurité tout en ouvrant une nouvelle région de découvertes pour les
expériences ».

 Aujourd’hui, le LHC vient de commencer une nouvelle aventure pour la science.

 

Simulation de la désintégration d’un boson de Higgs en 4 muons (traces jaunes) par l’expérience ATLAS

Premier faisceau dans le LHC

C’est un succès pour l’Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire (CERN) à Genève. Aujourd’hui, 10 Septembre 2008 à 10h28, le premier faisceau de protons vient de faire un tour complet dans le plus puissant accélérateur de particules du monde : le  LHC (Large Hadron Collider). Voir le billet précédent intitulé Le LHC au CERN pour plus d’informations sur cette machine de 27 km de circonférence enfouie à 100 mètres sous la frontière franco-suisse.


Le  premier proton ayant fait un tour complet du LHC

 La mise en service

Les premiers essais d’injections de particules dans le LHC ont été réalisés le 8 aout dans le sens horaire et le 22 aout dans le sens anti-horaire avec succès (voir résumé).


Image du premier paquet de protons ayant circulé dans une portion du LHC le 8 août 2008 au point 3 lors du test d’injection du faisceau en sens horaire

Quand on regarde la complexité de la machine, le temps de construction (plus de 10 ans) et le nombre de personnes impliquées dans ce projet (environ 8000 personnes), la mise en service a été relativement rapide et a rencontré peu de problèmes grâce aux excellents outils de contrôle et de diagnostique mis en place au CERN dans la nouvelle salle de contrôle (CCC : CERN Control Center) qui centralise tout le contrôle des différents accélérateurs. Ce matin Lyn Evans, le chef du projet LHC disait « je ne sais pas combien de temps cela va prendre de faire un tour complet de la machine, pour le LEP (l’ancien accélérateur du CERN), cela a pris 12h. » Finalement, cela aura pris 50 minutes ce matin pour faire un tour complet, mais cela fait plus d’un mois que tout le monde s’entraine et que les premiers tests ont été réalisés.

Le CERN Control Center situé sur le site de Prevessin ce matin en effervescence

 Le premier faisceau

Aujourd’hui, le premier faisceau de particules vient de faire un tour complet de l’accélérateur à une énergie réduite de 0,45 TeV (soit 6.4% de l’énergie nominale du LHC qui est de 7 TeV). Voir plus d’informations sur la page web LHC first beam. Le CERN espère faire fonctionner la machine à 70% de sa puissance avant la fin de l’année, soit une énergie de 5 TeV et à pleine puissance dans les 2 prochaines années.

Le  premier faisceau traversant le détecteur ATLAS

 Cet événement historique est un succès pour le CERN et les 8000 techniciens, ingénieurs et physiciens de 80 pays différents qui ont contribué à ce projet titanesque qui marquera l’année 2008. Ce premier faisceau symbolise une « réussite technologique », reste maintenant la « réussite physique » à
accomplir. En effet, la prochaine étape est le bon déroulement des collisions de particules au centre des gigantesques détecteurs ainsi que l’archivage et l’analyse des millions de données produites par ces collisions.

  Le LHC ne présente aucun risque

Pris dans son ensemble, l’univers est le théâtre de plus de dix mille milliards de collisions du type LHC à chaque seconde. La possibilité que ces collisions aient de dangereuses conséquences est incompatible avec les observations des astronomes : les étoiles et les galaxies sont toujours là.

 Certaines personnes essayent de faire croire que « les collisions de particules [dans le LHC] pourraient favoriser l’apparition de micro-trous noirs. Ces derniers pourraient aspirer le monde et le faire disparaître. Le risque est suffisamment élevé pour que le projet soit stoppé ».

 Une plainte a été déposée au tribunal de Hawaï au mois de mars par Walter L. Wagner, titulaire d’un doctorat en droit et qui a étudié la physique à l’université de Californie, et Luis Sancho, écrivain et chercheur en Espagne. Ils avaient déposé la même plainte en 1999 pour l’accélérateur de particules américain du
Brookhaven National Laboratory (BNL) près de NewYork mais la plainte était restée sans suite, les autorités se déclarant incompétentes. Évidemment, il n’y a eu aucun incident près de New-York, pas plus qu’il n’y en aura à Genève.

Une autre plainte a également été déposée à la Cour Européenne des Droits de l’Homme à Strasbourg par un biochimiste et un théoricien du chaos (qui n’ont aucune compétence pour juger sérieusement des risques du LHC). La plainte a été rejetée sans surprise par la cour la semaine dernière.

 Ces plaintes n’ont aucun fondement physique et ont toutes été rejetées. Le LHC Safety Assessment Group (le Groupe d’évaluation de la sécurité des collisions du LHC ou LSAG) a réactualisé l’analyse menée en 2003 par le LHC Safety Study Group (Groupe d’étude sur la sécurité du LHC), un groupe de scientifiques indépendants et a démontré qu’il n’y avait aucun risque quant à la mise en service du LHC. On peut également consulter dans le dernier numéro du Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics l’article intitulé « Review of the Safety of LHC Collision ».

 Les médias et le CERN

Dans ces histoires, j’ai l’impression que des gens profitent du démarrage du LHC et de la puissance des médias auprès du public pour se mettre sous les projecteurs. Quoi de plus vendeur pour les journaux que les titres du style « La menace fantôme du trou noir » dans le numéro de Libération du 5 Septembre 2008 ou encore « La Terre aspirée par un trou noir » dans L’Express du 4 Avril 2008. On va jusqu’à pronostiquer l’Apocalypse dans le Nouvel Observateur du 8 Août 2008 qui titre « La fin du monde commencera t-elle en Suisse ? » ou encore «La fin du monde pour le 10 Septembre », dans le 7 sur 7 du 1er Septembre 2008. Le seul quotidien qui ne fait pas une tournure alarmante est Le Monde du 26 Juin 2008 : « Aucun trou noir n’engloutira la Terre à la frontière franco-suisse ». Je tiens également à signaler l’excellente émission du « Téléphone Sonne » animée par Alain Bédouet sur France-Inter hier soir au sujet du démarrage du LHC (Podcastable ici).

 Google nous fait également l’honneur aujourd’hui de mettre son logo à l’image du LHC :

A l’étranger aussi le débat fait rage. On pouvait voir dans le Sun magazine en Angleterre le titre accrocheur « End of the world due in nine days » le 1er septembre ou encore « Asking a Judge to Save the World, and Maybe a Whole Lot More » dans le New York Times du 29 Mars 2008. La
Tribune de Genève titrait le 6 Septembre « La nouvelle installation du CERN éveille les craintes les plus farfelues » en énumérant toutes les théories loufoques avec extraterrestres, mondes parallèles et théorie du complot à la clef (voir ici l’article), on nage en plein délire….

 Pour plus d’informations :

Le LHC au CERN

Le CERN, l’Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire, a terminé cette année la construction du plus puissant accélérateur de particules du monde : le LHC (Large Hadron Collider). Cette machine est qualifiée comme étant la machine la plus complexe jamais construite par l’homme. Le projet LHC a été pensé dans les années 80 et approuvé officiellement en 1994. Le premier coup de pelle a été donné en 1998 et sa construction avec les détecteurs, estimée à 6 milliards de francs suisses (3,75 milliards d’euros), s’est achevée en 2008. Le premier faisceau de particules fera son premier tour dans 4 jours, le 10 Septembre, et les premières collisions sont prévues pour la fin de l’année.


Le LHC dans son tunnel à 100m sous terre

Nom de code: L.H.C

Le LHC est une machine qui permet l’accélération de paquets de particules chargées en sens opposés dans un anneau de 27 km enfoui à 100 m sous terre sous la frontière franco-suisse près de Genève. L’objectif est de réaliser des collisions frontales entre ces particules à des fins purement physique pour faire avancer la Science.

  • L’ comme ‘Large’ car le LHC est un anneau de 27 km de circonférence.
  • H’ comme ‘Hadron’ car le LHC accélère des protons qui sont composés de particules appelées ‘quark’ qui appartiennent à la classe des hadrons.
  • C’ comme ‘Collider’ car le LHC est un collisionneur : il fait collisioner des protons entre eux. Voir un billet précédent intitulé comment accélérer des particules ?

Le LHC est froid

Le LHC est constitué d’aimants supraconducteurs refroidis à 1,9K (-271°C) permettant de courber et de focaliser les faisceaux de particules à l’aide de puissants champs magnétiques (voir un article précédent, les super états). Ainsi le LHC est la plus grande installation supraconductrice du monde et a nécessité la construction de gigantesques installations cryogéniques (de gros réfrigérateurs). Pour les connaisseurs, il y a une puissance de réfrigération totale de 150kW à 4,5K et de 20kW à 1,9K disponible. Le refroidissement des 27 km d’aimants nécessite 10 000 tonnes d’azote liquide et 120 tonnes d’hélium liquide dont environ 90 tonnes d’hélium superfluide. Depuis le mois de Juillet, le LHC est entièrement « froid » (-271°C).


Vue d’ensemble du LHC

 

Pourquoi le LHC ?

Chaque faisceau de particules contient près de 3000 paquets qui contiennent chacun environ 100 milliards de particules. Quand les 2 faisceaux se croisent, 1 particule sur 10 milliards a une chance d’en entrechoquer une autre. Eh oui, les particules sont très petites et elles ont peu de chance statistiquement de se rencontrer (un faisceau est en fait principalement constitué de vide). Les faisceaux tournent à environ 99,9999991% de la vitesse de la lumière et le LHC ne va donc produire « que » 600 millions de collisions par seconde. Les collisions sont réalisées en continu pendant une dizaine d’heures, les particules n’ayant pas subi de collisions pendant ces 10 heures parcourent donc au total 10 milliards de kilomètres dans le LHC (de quoi aller sur Neptune et revenir).

L’analyse des collisions permet de confirmer ou d’infirmer les théories élaborées par les physiciens sur la constitution de la matière qui nous entoure, sur le Big-Bang et les différents phénomènes observables dans l’univers.  Le LHC devrait répondre dans les prochaines années aux interrogations suivantes :



– Est-ce que le boson de Higgs existe? Ce fameux boson est une particule élémentaire prédite par la théorie du modèle standard mais jamais observée. Elle
expliquerait l’origine de la masse, pourquoi certaines particules élémentaires ont des masses différentes et pourquoi certaines n’en n’ont pas.

– Nous observons 4% de la matière dans l’univers. Les 96% restant serait constitués de matière noire et d’énergie sombre. Les expériences du LHC
chercheront ce qu’on appelle des particules supersymétriques permettant d’expliquer la matière noire.

– Est-ce que l’antimatière est une réflexion parfaite de la matière? Comment se fait-il que toute l’antimatière a disparu pour laisser la place à la matière ?

– A quoi ressemblait la matière juste après le Big-Bang ? Étude des plasmas de quarks et de gluons.

– Existe-t-il d’autres dimensions, comme le prédisent de nombreux modèles inspirés de la théorie des cordes et si oui, peut-on les « voir »?

Le LHC ne fait jamais que reproduire des collisions qui se produisent tous les jours dans notre univers. Seulement ici ces collisions sont créées artificiellement pour permettre à l’homme de les analyser dans des détecteurs gigantesques. Cependant les énergies mises en jeu dans le LHC restent inférieures aux énergies que l’on rencontre lors de certaines collisions cosmiques.

 Les expériences du LHC

Le LHC va provoquer des collisions à 4 points distincts de la machine dans lesquels se trouvent de gigantesques expériences (ATLAS, CMS, ALICE
et LHCb).

ATLAS et CMS tenteront de découvrir le boson de Higgs, d’éventuelles supersymétries et des dimensions cachées de l’Univers. ATLAS est la plus grande (46m de long, 25m de haut et 25m de large) et possède le plus grand
supraconducteur du monde (voir photo). CMS est la plus lourde des expériences avec ses 12 500 tonnes et possède l’aimant supraconducteur le plus puissant du monde (il emmagasine 2,5 GJ). ALICE reconstituera les conditions de l’Univers juste après le BIG-BANG et LHCb étudiera les différences matière-antimatière.



L’expérience ATLAS pendant sa construction avec un homme au centre des 8 bobines supraconductrices toroidales

Ces expériences sont constituées d’un  ensemble de détecteurs permettant la détection de différentes particules. Ce sont de gigantesques oignons organisés en une multitude de couches successives. Une couche va laisser passer certaines particules  et en stopper d’autres en provoquant des désintégrations successives (avalanches). L’analyse des traces laissées sur l’ensemble des couches permet de dire avec précision quelle particule est passée à quel endroit.

L’ensemble des détecteurs produira au total 15 000 000 de Giga Octets de données par an (soit une pile de CD de 20 km de haut).


Illustration du passage de différents types de particules dans les différentes couches des détecteurs