LHC | ||||
Large Hadron Collider (LHC) | Mise à jour 01 juin 2013 | |||
La physique des particules est avant tout, une science expérimentale. Observer des minuscules particules demandent de bien gros microscopes ! | Chacun injecte un faisceau dans la machine suivante, qui prend le relais pour porter ce faisceau à une énergie encore plus élevée, et ainsi de suite. Cest le plus puissant au monde dépassant le Tévatron du Fermilab à Chicago (États-Unis). Le LHC construit dans un tunnel de 3 mètres de diamètre et de 26,659 km de circonférence, va révolutionner notre compréhension de l'univers, de l’infiniment petit à l’infiniment grand. Le LHC est un accélérateur-collisionneur circulaire de protons. Le système d'accélération du LHC devra porter l'énergie à 7 TeV (1 teraelectron volt = 1,60217646 × 10-7 joules). Image : Le LHC se situe sous la plaine du lac Léman entre Genève et le Jura, à cheval sur la frontière franco-suisse, à une profondeur comprise entre 50 et 175 m sous terre. Visite virtuelle du LHC en cliquant ici. | |||
Qu'est qu'un collisionneur ? | ||||
Les accélérateurs de particules sont des instruments qui utilisent des champs électriques et/ou magnétiques pour amener des particules chargées électriquement à des vitesses très élevées. En d'autres termes ils communiquent de l'énergie aux particules. | Ces faisceaux de particules tournent dans deux tubes jumelés où règne un ultravide, insérés dans un même système magnétique supraconducteur refroidi par de l'hélium liquide. Image : Cette image montre la faible courbure du tunnel du LHC de 26,659 km de circonférence. | |||
Des aimants à -271°C | ||||
Les huit secteurs du LHC sont maintenus à une température d'exploitation de -271,2°C, soit 1,9 degré au-dessus du zéro absolu. Un des progrès technique les plus importants de la fin du 20ème siècle, a été la maitrise des supraconducteurs destinés aux aimants et aux cavités accélératrices. Certains métaux refroidis à une température proche du zéro absolu (-273 °C) perdent alors toute résistivité électrique et donc il n'y a plus d'énergie perdue par dissipation de chaleur, ce qui permet d'y faire circuler des particules sans perte de puissance. Ces aimants refroidis dont le rôle est de courber le faisceau de particules sont utilisés pour diriger ces faisceaux aux quatre points d'intersection où les collisions permettent des interactions entre les particules. Les faisceaux de particules subatomiques de la famille des hadrons (protons ou ions de plomb) circulent donc en sens inverse à l’intérieur de l’accélérateur circulaire, emmagasinant de l’énergie à chaque tour. | Si on fait entrer en collision deux particules de directions opposées, chacune ayant l'énergie E, l'énergie dans le centre de masse sera égale à 2 E. Image : Alimentations cryogéniques du LHC | |||
Une nouvelle ère de la physique | ||||
Il existe de nombreuses prospections quant aux résultats de ces collisions. Les physiciens espèrent que cette nouvelle ère de la physique leurs apporte de nouvelles données sur le fonctionnement de l’Univers. Pour comprendre les lois fondamentales de la Nature, les physiciens s'appuient sur le modèle standard décrivant remarquablement la physique des particules. Ce modèle prédit l'existence d'une particule, appelée boson de Higgs Le boson de Higgs est une particule prédite par le fameux "modèle standard" de la physique des particules élémentaires. Elle constitue le chaînon manquant de ce modèle. En effet, cette particule est supposée expliquer l'origine de la masse de toutes les particules de l'Univers (y compris elle-même), mais en dépit de ce rôle fondamental, elle reste encore à découvrir puisque aucune expérience ne l'a pour l'instant observée de façon indiscutable., dont la détection est un des objectifs prioritaire du LHC. De nombreux arguments théoriques favorisent l'existence de ce que l'on appelle la super symétrie, qui prédit que chaque type de particule connue possède un alter ego appelé super partenaire. La mise en évidence de la super symétrie est le second enjeu du LHC. | Certaines collisions réalisées au LHC pourraient indirectement les mettre en évidence, notamment par la formation de trous noirs microscopiques. | Image : Centre de contrôle du LHC, crédit : CERN | ||
Trajet des protons et ions plomb |
Chaque faisceau de protons est composé de près de 3000 paquets de particules, chacun d’eux contenant 100 milliards de particules. | Image : Le LHC est construit dans un tunnel de 3 mètres de diamètre et de 26,659 km de circonférence. |
Histoire de ions plomb | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Le complexe d’accélérateurs accélère, non seulement les protons, mais aussi les ions plomb. Les ions plomb sont produits à partir d’un échantillon de plomb d’une extrême pureté, chauffé à une température d’environ 500°C. Les ions ainsi produits portent des charges très variables, avec un maximum aux environs de Pb29+. Ces ions sont sélectionnés puis accélérés à une énergie de 4,2 MeV/u (énergie par nucléon), avant de passer au travers d’une feuille de carbone qui les «épluche» et les transforme pour la plupart en Pb54+. Une fois accumulés, les ions Pb54+ sont accélérés à 72 MeV/u dans le LEIR (Anneau d’ions de basse énergie), puis transférés dans le PS (Synchrotron à Protons). | Celui-ci accélère le faisceau pour le porter à 5,9 GeV/u et l’envoie dans le SPS (Super Synchrotron à Protons), après lui avoir fait traverser une seconde feuille qui l’«épluche» totalement, produisant des Pb82+. Vidéo : Large Hadron Collider (LHC) (source CERN). | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Alice, 12 DVD de données par minute | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Le détecteur de particules Alice est en France, il a été officiellement approuvé en février 1997 et emménage dans sa caverne en juin 2001. | Alice va produire environ 12 DVD de données par minute. Les flux de données produits par l’expérience Alice seront les plus importants de toutes les expériences LHC. Image : Alice mesure 16 m en hauteur et 26 m en longueur, crédit : CERN | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atlas et le boson de higgs | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Le détecteur de particules Atlas est en Suisse. | Haut comme un immeuble de six étages, cet appareil géant est situé à 100 mètres sous terre, afin d’être au niveau du croisement des deux faisceaux de protons de l’accélérateur. Sa caverne pourrait contenir la nef de Notre Dame de Paris. Image : Atlas mesure 35 m de large, 55 m de long et 40 m de haut, crédit : CERN | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
CMS vers la 5ème dimension et plus | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Le détecteur CMS se situe en France. Le 22 janvier 2008, les 1430 tonnes du dernier élément de CMS sont descendues dans sa caverne marquant la mise en service finale de CMS. Sur l’un des quatre points de collisions du LHC, à Cessy en France, se trouve le détecteur CMS (Compact Muon Solenoid) qui pourrait découvrir des nouvelles particules élémentaires comme le boson de Higgs Le boson de Higgs est une particule prédite par le fameux "modèle standard" de la physique des particules élémentaires. Elle constitue le chaînon manquant de ce modèle. En effet, cette particule est supposée expliquer l'origine de la masse de toutes les particules de l'Univers (y compris elle-même), mais en dépit de ce rôle fondamental, elle reste encore à découvrir puisque aucune expérience ne l'a pour l'instant observée de façon indiscutable. qui n’a encore jamais été observée et vainement recherchée jusqu’à ce jour, trouver des particules super symétriques ou mettre en évidence des dimensions supplémentaires de l’espace. CMS possède le solénoïde supraconducteur le plus grand et le plus puissant jamais construit. Le champ magnétique, d’une intensité exceptionnelle (4 teslas, soit 100 000 fois le champ magnétique terrestre) doit dévier les particules chargées. CMS a pour mission de reconnaitre avec exactitude et finesse chaque type de particule produite et sélectionner les évènements intéressants. | CMS long de 21,5 mètres et a un diamètre de 15 mètres et d’une masse de 12 500 tonnes est logé dans une caverne de 27 mètres de large sur 53 mètres de long et 24 mètres de hauteur. Elle a été creusée dans les couches humides, qu'il a fallu congelées en y injectant de la saumure à -23 °C, puis de l’azote liquide à -80 °C. Image : CMS mesure 21,5 m et a un diamètre de 15 m et d’une masse de 12 500 tonnes, crédit : CERN | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
LHCb le détecteur de "beauté" | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Le détecteur LHCb se situe en France. L'assemblage débute en janvier 2003 avec la descente de deux bobines de l'aimant, dans la zone expérimentale souterraine. Autour d’un des quatre points de collisions du LHC se trouve le détecteur LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment) qui étudie l’asymétrie matière-antimatière en traquant spécifiquement les particules contenant un quark. L’objectif ultime est de mieux comprendre pourquoi l’Univers est constitué exclusivement de matière, alors qu’à sa naissance matière et antimatière étaient présentes à parts égales. Il doit réaliser la meilleure détection possible des particules «belles» (contenant un quark b) et de leurs produits de désintégration. Les particules dites de «beauté» ont une durée de vie importante à l’échelle des particules puisqu'elles vont parcourir quelques millimètres avant de se désintégrer. | L’expérience LHCb se distingue par sa capacité à reconstruire très précisément l’endroit où ces particules se désintègrent. Image : LHCb, le détecteur de beauté dans sa caverne. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Des chiffres records pour le LHC | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
120 mégawatt, | Ce chiffre comprend la consommation de la machine, de ses infrastructures et des expériences. Le cout annuel total pour faire fonctionner le LHC sera alors d’environ 19 millions d’euros. Le CERN est principalement alimenté en électricité par la compagnie française EDF tandis que les compagnies suisses EOS et SIG Swiss fourniront de l’électricité en cas de pénurie côté français. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
9 teslas , | 700 m3 d’hélium liquide, | Image : L'hélium liquide, fluide cryogénique, refroidit les aimants supraconducteurs du LHC à -271°C. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1,1 giga-octets par seconde, | 2,38 gigabits par seconde, Tableau : quantités et unités utilisées dans l'informatique ainsi que les noms et symboles de ces grandeurs et unités. La norme est publiée par la Commission électrotechnique internationale (CEI) et fait partie du groupe des normes appelée ISO / CEI 80000, publié conjointement par la CEI et l'Organisation internationale de normalisation (ISO). |
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14 TeV d'énergie créée, | N. B. : 1 teraelectron volt = 1,60217646 × 10-7 joules. Image : Le Tevatron et les anneaux de l'injecteur principal. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
L’ultravide, | Plus de 9000 physiciens, | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Et maintenant... | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Les accélérateurs sont devenus de plus en plus puissants, de plus en plus chers et donc de moins en moins nombreux : 2 en Europe, 2 aux États-Unis et 1 au Japon. Le projet LHC de 3 milliards d'euros est une réussite technologique européenne qui devra répondre aux questions en suspend du modèle standard (boson de Higgs Le boson de Higgs est une particule prédite par le fameux "modèle standard" de la physique des particules élémentaires. Elle constitue le chaînon manquant de ce modèle. En effet, cette particule est supposée expliquer l'origine de la masse de toutes les particules de l'Univers (y compris elle-même), mais en dépit de ce rôle fondamental, elle reste encore à découvrir puisque aucune expérience ne l'a pour l'instant observée de façon indiscutable., super symétrie, matière noire, dimensions supplémentaires de la matière, trous noirs, baryogénèse,...). La réponse à ces questions nécessite un gros effort théorique mais aussi expérimental, cest pourquoi la communauté des physiciens attend avec impatience les premières résultats du Large Hadron Collider qui apportera nécessairement de nouveaux concepts. Cette débauche de moyens et de puissance déployés, est le prix d'un outil de travail au service des physiciens qui pourrons ainsi tester dans des conditions extrêmes, les théories modernes sur les particules et antiparticules. | Image : La mise en service du LHC qui a eu lieu le 10 septembre 2008, a été décevante pour les téléspectateurs non avertis qui n'ont pu voir qu'un petit point blanc sur l'écran vidéo (en bas à gauche ci-contre). Ce n'est que le 23 novembre 2009, pour la première fois, que deux faisceaux se sont croisés aux points 1 et 5, où sont situés les détecteurs ATLAS et CMS. |