LHC

Large Hadron Collider (LHC)

La physique des particules est avant tout, une science expérimentale. Observer des minuscules particules demandent de bien gros microscopes !
Le grand collisionneur de hadrons est un gigantesque instrument scientifique construit 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 mètres sous terre. Le CERN (Conseil Européen pour le Recherche Nucléaire) a approuvé la construction du LHC le 16 décembre 1994 qui a été mis en service le 10 septembre 2008.
En novembre 2000, le grand collisionneur électron-positon (LEP) cède sa place, dans le même tunnel, au LHC. Cet accélérateur de particules est un fabuleux 'joujou' colossal avec lequel des centaines de physiciens étudient les plus petites particules, composants fondamentaux de la matière. Ce complexe est formé d'une succession d'accélérateurs d'énergies toujours croissantes.

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. C' est 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.
Le collisionneur est une machine où les faisceaux circulent en sens opposés avant d'entrer en collision contrairement à d'autres types d'accélérateurs dans lesquels un faisceau entre en collision avec une cible fixe. Ces accélérateurs collisionneurs sont semblables aux synchrotrons car les particules circulent le long d'une trajectoire circulaire.
Les deux faisceaux de particules lancées à 99.9999991% de la vitesse de la lumière, vont effectuer 11 245 fois le tour de l'accélérateur par seconde, en sens inverse.

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.
crédit : CERN

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.
Au CERN, à Genève, le Super Proton Synchrotron (SPS) atteint des énergies de 450 GeV seulement, si l'on peut dire par rapport aux 7 TeV du LHC.
En faisant entrer en collision frontale les deux faisceaux à une vitesse proche de celle de la lumière et à de très hautes énergies, le LHC recrée les conditions qui existaient juste après le Big Bang.
Les équipes de physiciens peuvent ainsi analyser les particules issues de ces collisions.

Image : Alimentations cryogéniques du LHC
crédit : CERN

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.
Un autre enjeu est la mise en évidence de la matière noire dont on pense qu'elle constitue une grande partie de la masse de l'univers. La théorie des cordes prédit l'existence de dimensions supplémentaires en plus des trois dimensions d'espace que nous connaissons.

Certaines collisions réalisées au LHC pourraient indirectement les mettre en évidence, notamment par la formation de trous noirs microscopiques.
Si la matière et l'antimatière qui existaient en quantités égales lors du Big Bang se sont annihilées, quel est le phénomène appelé baryogénèse, qui a généré cet infime surplus de matière sur l'antimatière qui reste aujourd'hui dans l'espace.
Le LHC pourrait aussi trouver une réponse à cette question.
Les noyaux atomiques sont constitués de protons et de neutrons composés d'entités élémentaires appelées quarks. Les quarks n'existent que par groupes de 2 ou 3 particules (3 dans le cas des neutrons et des protons).
A très haute température, les quarks peuvent exister isolément, c' est ce que le LHC tentera de mettre en évidence.

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.
Les particules sont si petites que la probabilité d'une collision est infime. Au moment où les paquets se croisent, il ne se produit qu'une vingtaine de collisions parmi les 200 milliards de particules. Cela dit, les paquets se croisent à la cadence d'environ 30 millions de fois par seconde; ainsi, le LHC génère jusqu'à 600 millions de collisions par seconde. Un faisceau peut circuler pendant 10 heures, parcourant plus de 10 milliards de kilomètres, soit deux fois la distance Terre-Neptune. À une vitesse proche de celle de la lumière, un proton accomplit 11 245 tours par seconde dans le LHC.
Voici la brève histoire d'un proton accéléré par le complexe d'accélérateurs du CERN : Des atomes d'hydrogène sont extraits d'une bouteille d'hydrogène ordinaire. On obtient des protons en arrachant à des atomes d'hydrogène leur électron en orbite.
Les protons passent du Linac2 dans l'injecteur du Synchrotron à protons (PS Booster, PSB) à une énergie de 50 MeV. Le PSB les accélère à 1,4 GeV.
Le faisceau est ensuite injecté dans le Synchrotron à protons (PS), où son énergie est portée à 25 eV.
Puis les protons sont envoyés dans le Super synchrotron à protons (SPS), où ils sont accélérés à 450 GeV. Enfin, ils sont transférés dans le LHC (dans le sens des aiguilles d'une montre et inversement, avec un temps de remplissage de 4 min 20 s par anneau), où ils sont accélérés pendant 20 minutes pour être portés à l'énergie nominale de 7 TeV. En conditions d'exploitation normales, les faisceaux circulent pendant plusieurs heures dans les tubes du LHC. Les protons arrivent dans le LHC sous forme de paquets, qui sont préparés dans les machines plus petites.

Image : Le LHC est construit dans un tunnel de 3 mètres de diamètre et de 26,659 km de circonférence.
À une vitesse proche de celle de la lumière, un proton accomplit 11 245 tours par seconde dans le LHC.
source CERN

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+.
Le SPS porte le faisceau à 177 GeV/u, puis l'injecte dans le LHC, qui l'accélère à 2,76 TeV/u.

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.
Autour d'un des quatre points de collisions du LHC se trouve le détecteur de particules Alice (A Large Ion Collider Experiment) qui étudie la matière nucléaire dans un état extrême de température et de densité, la 'soupe' de quark (constituants ultimes des noyaux atomiques) et de gluon (le gluon transmet l'interaction forte entre les quarks) qui aurait existé, quelques microsecondes après le Big Bang.
Le détecteur doit pouvoir séparer les nombreuses particules produites à chaque collision plomb-plomb.
Certaines collisions peuvent générer des dizaines de milliers de traces et il est donc nécessaire de posséder une très grande puissance de calcul pour leur reconstruction.

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.
Il faudra gérer et traiter toutes ces données.

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.
L'accord pour la conception de cet aimant toroïdal, la plus grande bobine magnétique au monde, a été signé en 1996 et Atlas a été construit en février 1999.
L'excavation de la plus grande caverne expérimentale au monde (35 m de large, 55 m de long et 40 m de haut) s'est terminée en juin 2002 pour accueillir les 6000 tonnes du détecteur Atlas dès novembre 2003.
Autour d'un des quatre points de collisions du LHC se trouve le détecteur de particules géant Atlas (A Toroidal LHC ApparatuS) 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., une particule vainement recherchée jusqu'à ce jour, trouver des particules super symétriques ou accéder à des dimensions supplémentaires de l'espace. Atlas a été conçu comme un détecteur polyvalent qui cherche à identifier et à mesurer précisément les caractéristiques (énergie, vitesse, direction) des particules produites lors des collisions.

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.
crédit : CERN

Des chiffres records pour le LHC

120 mégawatt,
Cette machine consomme environ 120 MW (230 MW pour tout le CERN), ce qui correspond à peu près à la puissance électrique consommée par l'ensemble des ménages du canton de Genève. En supposant que l'accélérateur fonctionne 270 jours par an (la machine s'arrête pendant la période d'hiver), la consommation annuelle d'énergie du LHC en 2009 devrait atteindre environ 800 000 MWh.

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 ,
Les aimants de courbure, les dipôles, intègrent deux aimants, pour les deux tubes à vides où les protons circulent en sens inverse.
Ces aimants, de 15 m de long et d'environ 35 tonnes, produisent en leur cœur un champ magnétique de 9 teslas, environ 200 000 fois le champ magnétique terrestre.

700 m3 d'hélium liquide,
Les aimants sont d'abord refroidis à 80 K à l'aide de 12 500 tonnes d'azote liquide, puis à 1,9 K grâce à 700 m3 d'hélium liquide. En avril 2007, un huitième de l'anneau est refroidi à l'hélium liquide, à 1,9K (-271,2°C), plus froid que l'espace intersidéral. Le secteur 7-8 de 3,3 km de long devient ainsi la plus grande installation supraconductrice au monde.

Image : L'hélium liquide, fluide cryogénique, refroidit les aimants supraconducteurs du LHC à -271°C.

1,1 giga-octets par seconde,
Un record de sauvegarde de données sur bandes est battu en mai 2003, avec un taux de transfert de 1,1 giga-octets par seconde durant plusieurs heures.
Cela équivaut à enregistrer un film sur DVD toutes les quatre secondes.
Les données produites par an atteignent, les 15 peta octets.


N. B. : 1 peta = 10¹⁵ soit 1 000 000 000 000 000 octets

2,38 gigabits par seconde,
Un record de transfert de données est battu sur plus de 10 000 km entre le CERN et la Californie, avec un débit de 2,38 gigabits par seconde pendant plus d'une heure.
Cela équivaut à transférer 200 films DVD en une heure.

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).

14 TeV d'énergie créée,
Les plus hautes énergies jamais atteintes par l'homme, 7 TeV par faisceau de protons en nominal.
L'énergie de collision de 14 TeV, est sept fois plus élevée que celle de l'accélérateur le plus puissant du monde, le Tévatron du laboratoire fermi à Batavia dans l'Illinois à l'ouest de Chicago, aux États-Unis.

N. B. : 1 teraelectron volt = 1,60217646 × 10^-7 joules.

Image : Le Tevatron et les anneaux de l'injecteur principal.

L'ultravide,
Afin d'éviter des collisions avec les molécules de gaz présentes dans l'accélérateur, les faisceaux de particules voyagent dans une cavité aussi vide que l'espace interplanétaire, ce qu'on appelle l'ultravide. Trois systèmes de vide équipe le LHC.
La pression interne du LHC est de 10^-13 atmosphère.
La pression dans les tubes de faisceau du LHC sera environ dix fois plus faible que sur la Lune.

Plus de 9000 physiciens,
Le LHC réunit la plus grande concentration de chercheurs grâce à la collaboration de ses états membres : Allemagne, Autriche, Belgique, Danemark, Espagne, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Italie, Norvège, Pays-Bas, Pologne, Portugal, la République slovaque, la République tchèque, Royaume-Uni, Suède et Suisse. La Fédération de Russie, Israël, la Turquie, la Yougoslavie, la Commission des Communautés européennes et l'UNESCO ont le statut d'observateur.

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, c' est 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.
Le détecteur ATLAS a enregistré son premier évènement interprétable comme une collision à 14 h 22.