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.

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 »?

 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