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Nombre de messages : 2238 Date d'inscription : 27/10/2008
Sujet: LHC : une clé pour le futur ! Mar 27 Oct - 23:28
LHC : une clé pour le futur
C’est la machine la plus complexe conçue et réalisée dans toute l’histoire de l’humanité. Le Large Hadron Collider, ou LHC, va recréer les conditions de la naissance de l’Univers et partir à la recherche de la mystérieuse matière noire et peut-être nous révéler des dimensions spatiales supplémentaires. En plus de changer radicalement notre vision du monde et de la place que nous y occupons, il pourrait changer notre vie par l’intermédiaire de la bio-informatique. « Nous vivons encore dans l’enfance de l’espèce humaine, tous les horizons que sont la biologie moléculaire, l’ADN, la cosmologie commencent juste à s’ouvrir. Nous sommes juste des enfants à la recherche de réponses et à mesure que s’étend l’île de la connaissance, grandissent aussi les rivages de notre ignorance. Sûrement un jour, on peut l’espérer, nous saisirons l’idée centrale derrière toute chose. Elle sera si simple, si belle, si convaincante que nous nous dirons alors Oh, comment cela aurait-il pu être autrement ! Comment avons-nous fait pour rester aveugle aussi longtemps !" » John Wheeler (1911-2008).
Une vidéo d'introduction sur le LHC en français. Crédit : Cern-TV
La circulation des faisceaux de protons le 10 septembre 2008 à l’intérieur des 27 kilomètres de tube sous ultravide du LHC, le Large Hadron Collider ou Grand Collisionneur de Hadrons, est l’aboutissement de l’un des grands projets de l’humanité dont l’envergure ne peut se comparer qu’avec le projet Apollo. Comme ce dernier, l’aventure qui commencera lorsque les collisions de protons recréeront les conditions qui régnaient dans l’Univers observable moins d’un milliardième de seconde après sa « naissance », promet non seulement de changer notre vision du monde mais aussi de catalyser de nouveaux bonds technologiques, comme ce fut le cas avec l’électronique et l’informatique lors de la course à la Lune.
Une vue aérienne du LHC avec la localisation des différentes expériences comme ATLAS,ALICE,LHCb et CMS. Crédit : Cern Retrouver l’Unité du monde qui doit se cacher, les physiciens en sont convaincus, derrière les phénomènes, telle est leur ambition. Elle prend ses racines dans les spéculations des philosophes ioniens et surtout des Eléates de la Grèce Antique, mais on peut la trouver aussi dans celles des philosophes indiens, comme en témoigne par exemple, l’Isha Upanishad. Toutes les spéculations du monde ne valent rien si elles ne sont pas confrontées à l’expérience, et c’est pourquoi le LHC a été construit. Il va nous permettre de tester nos théories sur le monde de l’infiniment petit mais aussi de l’infiniment grand car l’un et l’autre sont intimement liés, comme la cosmologie et la toute jeune discipline des astroparticules le montrent de plus en plus. Avec la fournaise dépassant les 2.000 milliards de degrés que les physiciens vont produire lors des collisions de protons, ils espèrent apprendre les secrets de la matière noire qui domine le monde des galaxies et même, peut-être, découvrir si des mondes parallèles peuvent exister, comme le suggère la très spéculative théorie des cordes. L'infiniment grand et l'infiniment petit avec quelques uns des outils nécessaires pour les explorer. Crédit : Cern
Il existe un troisième infini, celui de la complexité, qui n’est pas séparable des deux premiers et que la science et la technologie découlant du LHC permettra d’explorer. Les secrets de l’Univers, que l’on espère découvrir avec les détecteurs de particules géants du LHC, nécessitent en effet un réseau de plus de 10.000 ordinateurs interconnectés sur la planète : c’est la grille. Les biologistes l’emploient déjà pour mieux comprendre le génome humain et concevoir de nouveaux médicaments. .
2.Une machine philosophique pour comprendre le cosmos
[color=indigo]John Ellis en train d'écrire une partie du lagrangien du modèle standard. Crédit : Cern.
Le LHC est l’un de ces outils expérimentaux et il constitue, sans nul doute, l’objet technologique le plus complexe réalisé dans toute l’histoire de l’humanité. Ce grand collisionneur de protons avec ces 27 kilomètres de circonférence va accélérer des faisceaux de presque 3.000 paquets constitués de plus de 100 milliards de protons à une vitesse de l’ordre de 0,999999991 fois la vitesse de la lumière. Un milliard de collisions par seconde en résulteront dans ses détecteurs qui, pour analyser et rechercher des signaux d’une nouvelle physique, sont couplés à des dizaines de milliers d’ordinateurs dispersés sur la planète et seront exploités dans le cadre d’un réseau informatique décentralisé appelé la Grille. Les données qui seront enregistrées avec les détecteurs du LHC représentent en effet un volume d’information si vaste qu’elles pourraient remplir environ 100.000 DVD double couche par an. Avec le Cern, le LHC rassemble autour de lui une communauté mondiale de plusieurs milliers de chercheurs et d’ingénieurs mais ce nombre est en réalité bien plus important si l’on tient compte de tous ceux qui, travaillant en physique des hautes énergies, en astroparticules et cosmologie, attendent de la mise en route du LHC qu’elle révolutionne notre vision du monde en nous faisant pénétrer plus profondément dans les arcanes du cosmos. Bien que la réalité soit beaucoup plus prosaïque, on ne peut s’empêcher de penser avec le physicien Robert R. Wilson, le grand spécialiste des accélérateurs de particules qui avait été l’un des fondateurs et le premier directeur du Fermilab aux Etats-Unis, que les accélérateurs de particules modernes dont le LHC sont un peu l’équivalent des grandes cathédrales et témoignent de la volonté de l’Homme de se dépasser pour aller toujours plus haut. Certains n’ont d’ailleurs pas hésité à comparer le Cern, qui est presque une petite cité à lui tout seul, avec les projets de villes idéales dédiée à la recherche de la connaissance, comme aurait pu l’être la République de Platon. la comparaison est certainement exagéré mais donne une idée du rêve qu’incarne d’une certaine façon le Cern avec le LHC et qui nous ramène quelques dizaines d’années en arrière, lorsque le projet Apollo a été lancé.
Concrètement que cherchent en fait les physiciens avec le LHC ? Au cours des années 1960 et surtout 1970, les physiciens ont construit un modèle de particules de matières et d'interactions remarquablement puissant et précis qui explique, en théorie, toute la physique des phénomènes dans le système solaire. Il s’agit du célèbre modèle standard. Celui-ci est constitué de l’électrodynamique quantique relativiste, dont les prédictions époustouflantes s’accordent avec l’expérience parfois jusqu’à la dixième décimale. Cette dernière décrit les interactions électromagnétiques entre les particules chargées comme les électrons et les protons. Vient ensuite la chromodynamique quantique (QCD) décrivant l’interaction nucléaire forte permettant aux protons et aux neutrons des noyaux de rester ensemble. Etablissant un lien entre les deux, il existe enfin une théorie dite de l’interaction nucléaire faible, responsable de la désintégration radioactive des noyaux. En fait, cette dernière interaction a fusionné avec l’interaction électromagnétique dans le cadre d’une théorie dite électrofaible, proposée à la fin des années 1960 par Steven Weinberg et Abdus Salam et prolongeant la théorie de Sheldon Glashow. Le paysage que décrit au final le modèle standard est celui constitué par deux grandes familles de particules élémentaires de matière, les quarks et les leptons, et toute une série de particules, semblables aux photons des interactions électromagnétiques et qui sont les porteurs des autres forces du modèle standard. On a ainsi les 8 gluons g de la QCD, liant les quarks dans les protons et plus généralement les hadrons, et enfin les bosons intermédiaires W+, W- chargés et Z0 neutres, responsables des interactions faibles entre les leptons (électrons, muons, tauons et leurs neutrinos associés) et les 6 quarks de la chromodynamique quantique. A part les gluons et le photon, les quarks, les leptons et les bosons intermédiaires de l’interaction faible possèdent tous des masses. Dans le cadre du modèle standard, ces masses tirent leur origine d’une autre particule, le fameux boson de Higgs. Un panorama des particules du modèle standard. Seul manque encore à l'appel le boson de Higgs noté ici H0. Crédit : Michel Lefebvre
L’ensemble de ces particules est gouverné par un cadre de lois fondamentales, la théorie de la relativité restreinte d’Einstein et la mécanique quantique, qui ont été rassemblées en un seul corpus de lois, connu sous le nom de théorie quantique relativiste des champs. Si l’on essaie d’appliquer ce corpus aux interactions gravitationnelles décrites par la théorie de la relativité générale d’Einstein, on doit, de plus, supposer l’existence d’un autre boson sans masse porteur de la force de gravitation entre toutes les particules précédentes : le graviton. Les astrophysiciens et les cosmologistes ont en effet découvert l’existence, tout à la fois, de la matière noire liant les galaxies et de l’énergie noire accélérant l’expansion de l’Univers, sur lesquelles le modèle standard (MS) est muet ; L’Univers est majoritairement constitué de matière alors que le MS prédit une égalité entre création de matière et d’antimatière lors de la naissance de l’univers observable. Où est passée l'antimatière cosmologique ? Il y a bien de la place dans les équations du MS pour une asymétrie entre matière et antimatière, mais cela implique des termes violant ce qu’on appelle la symétrie CP, dont l’origine est inconnue et n’est pas prédite par le MS, quand bien même cette violation a bien été observée par les physiciens ; Les quarks constituant les hadrons, comme les neutrons et les mésons K, ne semblent pas pouvoir exister à l’état libre dans les conditions physiques actuelles de l’Univers. On dit qu’ils sont confinés. Quelle est l’origine exacte de ce phénomène ? Ne pouvait-il pas exister un gaz de quarks libres, plus précisément un plasma quark-gluon, au tout début de l’origine de l’Univers, qui se serait condensé en gouttelettes de liquide hadronique sous forme de protons et de neutrons lorsque la température du cosmos a chuté avec l’expansion de l’Univers ? La théorie unifiée des forces électromagnétique et nucléaire faible n’est en fait pas une véritable théorie unifiée. Elle introduit deux constantes de couplage analogues à la charge électrique et deux groupes de Lie. Une véritable théorie reposerait sur une seule constante de couplage et un seul groupe de Lie. C’est ce genre de groupes qui détermine la forme des équations d’une théorie de champ quantique relativiste, capable de rendre compte d’une interaction. Mieux, il devrait exister un moyen d’unifier la théorie électrofaible avec la force nucléaire et enfin la force de gravitation. Existe-t-il vraiment une telle théorie unifiée, une GUT ? Une Théorie du Tout si l’on incorpore la gravitation et la matière ? Le boson de Higgs donne des masses aux particules du modèle standard, mais il ne prédit pas vraiment la valeur de celles-ci. Le boson de Higgs n’a pas encore été observé, existe-t-il vraiment ? C’est la présence de ce boson qui explique pourquoi les interactions électrofaibles, qui sont presque unifiées à haute énergie, se séparent en interaction électromagnétique et force nucléaire faible à basse énergie. Le mécanisme de Higgs responsable de cette séparation est-il bien réel ?
Selon le modèle de Glashow,Salam, Weinberg des interactions électrofaibles, le boson de Higgs est responsable des masses des particules mais aussi de la séparation des forces à basse énergie. C'est le mécanisme de brisure de Higgs qui sera étudié au LHC... si il existe vraiment. Crédit : Michel Lefebvre
.La relativité générale d’Einstein traite de l’infiniment grand et des champs de gravitation extrêmement forts, mais c’est une théorie classique ignorant la mécanique quantique avec laquelle elle entre même en contradiction dans certaines situations. Cette dernière décrit le monde de l’infiniment petit mais il existe au moins deux situations physiques dans lesquelles ces deux théories doivent intervenir : lorsque l’Univers observable était plus petit qu’un atome et à l’intérieur d’un trou noir. Pour comprendre l’origine de l’Univers, il nous faut donc une théorie quantique de la gravitation, mais comment quantifier le champ de gravitation ? Peut-on vraiment faire de la cosmologie quantique et même se poser la question d’un avant le Big Bang ?. .Il y a près de 20 paramètres dans les équations du modèle standard dont l’origine et la valeur ne sont pas comprises. Si une théorie unifiée existe, et si nous arrivons à construire une théorie de la gravitation quantique, nous pouvons espérer avoir une réponse à ces questions. En fait, nous pensons que nous pouvons même répondre aux questions précédentes, comme l’origine et la nature de la matière noire et de l’énergie noire, si deux propositions théoriques qui ont été faites dans les années 70 sont correctes, celle des théories supersymétriques et de la théorie des cordes, cette dernière nécessitant des dimensions supplémentaires. Existe-t-il vraiment un « supermonde » avec de nouvelles particules supersymétriques associées à chaque particule connue ? Les particules sont-elles en fait des cordes et existe-il réellement des dimensions spatiales supplémentaires, avec même des mondes parallèles ou autorisant la création de mini trous noirs, et même, pourquoi pas, des mini trous de vers au LHC ?
Les paramètres libres dont les valeurs sont inexpliquées dans le modèle standard, les masses m et les constantes de couplages g. Crédit : Cern
Il n’est pas du tout certain que ces questions pourront véritablement être abordées ni même résolues avec le LHC, au cours de la prochaine décade. Si la mise en évidence du Higgs est assez probable, nous pourrions fort bien découvrir que celui-ci n’existe pas ! Stephen Hawking lui-même a parié contre la découverte du Higgs en raison de ses travaux sur la théorie des trous de vers. Si l’on en croit certaines des analyses issues des mesures de WMAP, l’énergie à laquelle les forces pourraient s’unifier serait très grande, 1015 GeV environ, à comparer au 14.000 GeV du LHC. C’est pourquoi un cauchemar hante les physiciens, celui du grand désert séparant l’échelle d’énergie de la brisure de symétrie de l’interaction électrofaible, accessible avec le LHC, et celle de l’échelle des GUT et autre ToE. Aucune particule nouvelle autre que le Higgs ne serait alors observable ! Il resterait peut-être encore quelques fenêtres ouvertes dans le domaine des rayons cosmiques et de l’étude du rayonnement fossile, mais nos questions les plus fondamentales n’auraient plus qu’une chance bien Reste que, d'ores et déjà, comme le disait le grand mathématicien et physicien théoricien Herman Weyl à la fin de son célèbre traité de relativité générale (Espace-temps-matière) : « Celui qui mesure le chemin parcouru, depuis la métrique euclidienne jusqu’au champ métrique variable dépendant de la matière et renfermant les manifestations de la gravitation et de l’électromagnétisme, celui qui cherche à embrasser d’un coup d’œil ce que notre exposé a forcément fragmenté et morcelé, celui-là doit éprouver un sentiment de liberté, comme s’il sortait d’une cage où il était enfermé jusqu’ici. Il doit être pénétré de la certitude que notre raison n’est pas seulement un pis-aller humain, trop humain, dans la lutte pour la vie, mais qu’elle s’est développée malgré toutes les embûches et tous les errements jusqu’au point où elle peut embrasser objectivement la vérité. Quelques-uns des accords puissants de cette harmonie des sphères auxquels Pythagore et Kepler rêvaient sont parvenus à nos oreilles. »ténue d’avoir un jour ne serait-ce qu’un début de réponse. Mais comme le disait un certain philosophe, il n’y a pas de preuve par l’horrible.
3.Les accélérateurs du LHC
Une chose est certaine : pour espérer observer le Higgs, le déconfinement des hadrons et les particules supersymétriques, il faut reconstituer des conditions de température, et donc d’énergie, qui existaient avant le premier milliardième de seconde après la naissance de l’Univers observable, lorsque celui-ci était un plasma brûlant de quarks et de gluons libres interagissant avec des leptons, des photons et autres bosons intermédiaires. La température dépassait alors le millier de milliards de degrés K. En fait, le LHC devrait pouvoir s’approcher des conditions qui régnaient dans le cosmos seulement 10-25 seconde après sa naissance, alors que la température était proche de 100 millions de milliards de degrés K et la taille du cosmos observable de seulement 300 millions de kilomètres !
Pour y arriver, les ingénieurs ont dû coupler en cascades toute une série d’accélérateurs qui existaient déjà au Cern. Ces derniers alimenteront le LHC non seulement en protons mais aussi en ions lourds, puisque c’est avec des ions de plomb que les physiciens chercheront à percer les mystères du plasma de quarks et de gluons qu’ils espèrent produire par déconfinement des protons et neutrons des noyaux de plomb. En réalité, ce dernier à déjà été réalisé et en partie étudié aux Etats-Unis avec RHIC, et quelques années avant au Cern avec l'expérience NA 50.
Les accélérateurs du LHC Les protons des faisceaux devront atteindre une énergie de 7 Tev. Pour les obtenir, on commence par dépouiller des atomes d’hydrogène de leur électron. Les noyaux, des protons donc, sont ensuite accélérés avec un accélérateur linéaire, le Linac2 sur le schéma ci-dessous qui les injecte dans un premier Synchrotron à protons (PS Booster, PSB) à une énergie de 50 MeV. Le PSB porte leur énergie à 1,4 GeV avant de les injecter à son tour dans le Synchrotron à protons (PS), où l’énergie des protons monte cette fois à 25 GeV.
La cascade d'accélérateurs équipant le LHC lui-même. Crédit : Cern
Arrive ensuite l’étape du Supersynchrotron à protons (SPS), où l’on obtient 450 GeV par protons. Le transfert dans le LHC proprement dit s’opère enfin dans le sens des aiguilles d’une montre, et inversement, pour qu’on puisse obtenir deux faisceaux tournant en sens contraires. Le temps de remplissage est de 4 min 20 s par anneau et, au bout de 20 minutes, les faisceaux de protons atteignent enfin l’énergie nominale de 7 TeV. Dans le cas des faisceaux d’ions lourds, qui entreront en collision dans le détecteur Alice, le processus est similaire mais avec des différences. On commence par chauffer du plomb extrêmement pur à 500°C. Les ions ainsi produits portent des charges très variables, ils peuvent perdre jusqu’à 29 électrons pour devenir des ions Pb29+. Cela n’est pas suffisant et on doit les accélérer ensuite pour les faire passer au travers d’une première feuille de carbone pour les transformer en ions Pb54+, lesquels sont accélérés dans le LEIR (Anneau d’ions de basse énergie), puis transférés dans le PS. Ce dernier augmente encore leur énergie avant de les injecter dans le SPS, après lui avoir fait traverser une seconde feuille de carbone qui termine de l’ioniser totalement en produisant des Pb82+ qui sont enfin envoyés dans le LHC pour une ultime accélération.
Quelques photos de l'intérieur des PS, SPS et du LHC lui-même. Crédit : Cern
Maintenant, ces ions de plomb comportent 82 protons mais 208 nucléons avec les neutrons. Ce qui fait que si l’on obtient une énergie de 82 × 7 TeV = 574 TeV par ion, l’énergie disponible lors de la collision des faisceaux circulant en sens contraire serait de 1148 TeV. C’est oublier que les collisions se feront en réalité au niveau des nucléons individuels pour qui, en moyenne une énergie de seulement 2,76 TeV sera disponible.
Etudions le LHC lui-même d’un peu plus près
Il y a d’abord les tubes dans lesquels les deux faisceaux de protons voyageront presque à la vitesse de la lumière et en sens contraires. Afin d’éviter des collisions avec d’éventuelles molécules de gaz présentes dans l’accélérateur, les ingénieurs ont réalisé dans ces tubes ce qu’on appelle un ultravide. La pression y est de seulement 10-13 atmosphère, ce qui est dix fois inférieur à la pression régnant sur la Lune. Les faisceaux eux-mêmes sont constitués chacun de 2.835 paquets de protons que l’on nomme des « bunches » en anglais. Ils sont séparés par 7,5 m ce qui veut dire qu’il en passe un toutes les 25 nanosecondes en un point du LHC. Chaque bunche comporte environ 1011 protons mais seuls 20 d’entre eux en moyenne entreront en collision, ce qui fait quand même environ 109 milliards de collisions par seconde et environ 1600 particules chargées produites pour chaque collision de bunches dans les détecteurs qui équipent le LHC. Sur ces 109 seules une centaine sont intéressantes, c'est-à-dire qu’elles peuvent être reliées à la production du Higgs ou de particules supersymétriques par exemple.
Un schéma de chaque cryodipole avec les deux tubes à ultravide (beam Pipe).Crédit : Cern Le LHC a une forme circulaire, pour minimiser les pertes d’énergies des faisceaux de particules par rayonnement son rayon doit être le plus grand possible, mais cela veut dire qu’il doit être équipé d’une série d’aimants dipolaires extrêmement puissants pour courber avec une très grande précision les faisceaux. Ces aimants utilisent des câbles en niobium-titane (NbTi) : ils sont supraconducteurs si on les refroidit à une température inférieure à 10 K. Ils mesurent 15 m de long, pèsent 35 tonnes chacun et sont au nombre de 1.232. Pour les exigences du fonctionnement du LHC, ils sont refroidis à une température de 1,9 K. Aucun endroit dans le vide intersidéral du cosmos observable n’est aussi froid que ça, puisqu’il y règne le rayonnement de fond diffus d’une température de 2,7 K. Un courant de 11.700 ampères circule dans les dipôles qui génèrent alors un champ magnétique de 8,3 teslas : c’est environ 200.000 fois l’intensité du champ magnétique ter
Les cryodipôles assemblés dans le tunnel du LHC. Crédit : Cern
Le nombre d’aimants supraconducteurs équipant le LHC est en réalité bien plus élevé car, au total, il y en plus de 9.500. En effet, il ne faut pas seulement courber les faisceaux, afin d’obtenir un taux de collisions maximal et d’exercer un contrôle optimal sur les collisions des bunches, ces derniers doivent être bien focalisés et garder une forme stable. Or, rappelons qu’ils sont constitués de protons qui sont chargés positivement et se repoussent à l’intérieur des bunches et entre les bunches eux-mêmes. Il a donc fallu ajouter des aimants quadrupolaires, sextupolaires et même octopolaires, tous supraconducteurs. Le refroidissement de ces aimants a pris des mois et a nécessité une première étape qui a consommé 10.000 tonnes d’azote liquide. Atteindre et maintenir une température finale de 1,9 K mobilise 120 tonnes d’hélium liquide. En plus des aimants supraconducteurs il y a des cavités accélératrices avec des champs électriques oscillant à des fréquences de 400 MHz. Il y en a huit par faisceau, fournissant chacune une tension de 2 MV (un champ accélérateur de 5 MV/m). Elles sont elles aussi supraconductrices et c’est pourquoi elles doivent être refroidies à 4,5 K.
Une des cavités accélératrices du LHC. Crédit : Cern
Viennent enfin les détecteurs dans lesquels les deux faisceaux sont croisés afin que les bunches entrent en collisions. En résumé, quelques chiffres concernant le LHC : Le Large Hadron Collider est un collisionneur en forme d’anneau de 27 km de long situé dans un tunnel à environ 100 mètres sous terre, près de Genève ; L’énergie totale dans le centre de masse sera de 14 TeV (c'est 7 fois plus élevé que le Tevatron du Fermilab) ce qui permettra de rechercher de nouvelles particules massives jusqu'à m ~ 5 TeV ; Luminosité = 1034 cm-2 s-1 (c'est plus de 100 fois plus élevé qu’avec le Tevatron du Fermilab). Cela permet la recherche de processus rares ; La fréquence de révolution est de 11,2 kHz (11 200 fois par seconde). Consommation d'énergie : ~ 120 MW ; Chaque faisceau de protons à pleine intensité sera composé de 2808 paquets de particules (on parle de « bunches » en anglais) ; Chaque bunche contiendra 1,15 x 1011 protons ; Les bunches sont longs de quelques cm mais leur dimension transversale est réduite à 16 microns seulement juste avant collision ; La longueur totale des câbles supraconducteurs nécessaire est d'environ 7600 km. Chaque câble étant constitués de filaments, la longueur totale des filaments est de 10 fois la distance de la Terre au Soleil ; Le vide dans lequel circule les faisceaux de protons est très poussé, seulement 10-10 torr (~ 3 millions molécules / cm3) et ceci afin d'éviter au maximum les collisions avec des molécules de gaz. C'est l'équivalent de la pression à une altitude de 1000 km. Rappelons que la pression atmosphérique est de 760 torr ; Les aimants supraconducteurs du LHC sont refroidis à 1,9 K avec de l'hélium superfluide à la pression atmosphérique. Le LHC va stocker un faisceau d'énergie de 360 mégajoules environ : 2808 bunches x 1,15 1011 protons d’une énergie de 7 TeV chacun = 2808 x 1,15 x 1011 x 1012 x 7 x 1,602 x 10-19 joules = 362 MJ par faisceau. Cela peut être comparé à : En énergie cinétique : 1 navire de croisière de 10.000 tonnes se déplaçant à 30 km/h ; 1 véhicule de 2 tonnes se déplaçant à 100 km/h. En énergie chimique : L’explosion de 80 kg de TNT ; La métabolisation de 70 kg de chocolat (en comptant les calories) ; l'énergie dans le chocolat est libérée un peu plus lentement que dans l’explosion du TNT ! En énergie thermique : Ce qu’il faut pour fondre 500 kg de cuivre ; Ce qu’il faut pour porter 1 mètre cube d'eau à 85°C ou encore préparer une tonne de thé.
4.Les détecteurs du LHC
Dans les détecteurs, les faisceaux de protons se croiseront et produiront un milliard de collisions par seconde. Une partie d’entre elles ne produiront pas de particules mais les autres produiront une véritable cascade de productions et de désintégrations de particules. Initialement, la vaste majorité des particules créées sont instables et elles se désintègreront en paires et triplets de particules.
Deux protons donnent lieu à la création d'un boson de Higgs, H, lequel se désintègre en deux photons gamma. C'est une des signatures que les physiciens chercheront pour découvrir le Higgs. Crédit : Cern.
Deux protons donnent lieu à la création d'un boson de Higgs, H, lequel se désintègre en deux bosons Z0 neutres qui a leur tour donneront des paires de muon/antimuon. C'est une des signatures que les physiciens chercheront pour découvrir le Higgs. Crédit : Cern.
Certaines productions et désintégrations sont plus probables et plus ou moins rapides que d’autres selon les prédictions du modèle standard et de ses extensions, comme celle qui est la plus sérieusement considérée par les physiciens, la supersymétrie. La majeure partie des particules produites sont bien connues et seule une infime portion peut receler de la nouvelle physique. Sur le milliard de collisions, seule une centaine en moyenne sera intéressante pour le physicien. Or, pour étudier efficacement les particules qui l’intéressent, il lui faut en produire en très grand nombre pour disposer d’une population suffisamment grande, on parle de statistique, pour en déduire des conclusions fermes quant aux propriétés et à la nature de ces particules. En effet, dans les collisions, certains processus peuvent à tort être interprétés comme des signaux d’une nouvelle physique. C’est pourquoi les chercheurs doivent créer un si grand nombre de collisions pour tout à la fois dépasser le bruit de fond des signaux parasites et obtenir en un laps de temps suffisamment court, quelques années au maximum, un nombre assez grand de particules. Le taux de réactions à la seconde dépend de ce qu’on appelle la luminosité des faisceaux et, au LHC, il sera très élevé. Il s’agit de l’analogue du nombre de photons tombant par unité de surface et par seconde.
Lors des collisions de protons, c'est en réalité au niveau des partons (gluons et quarks) que seront produites de nouvelles particules. Crédit : Pour créer les particules recherchées, comme celles de la supersymétrie, il faut que les protons disposent d’assez d’énergie pour être convertie en masse. Comme on s’attend à ce que certaines particules soient très lourdes, chaque faisceau aura une énergie de 7 TeV par proton en moyenne, ce qui fera donc 14 TeV de disponibles lors des collisions. Rappelons que la masse d’un proton est d’environ 1 GeV et celle du boson de Higgs devrait être comprise entre 115 GeV et moins de 800 GeV environ. Il y a cependant une complication qu’il faut garder à l’esprit. Les protons sont constitués de trois quarks et d’une mer de quarks et d’antiquarks apparaissant et disparaissant avec les gluons échangés entre tous ces quarks : on parle en fait depuis Richard Feynman de partons pour désigner tous ces composants des protons (cf. schéma ci-dessus). Les collisions se feront donc en fait principalement au niveau des trois quarks précédents, ce qui fait que l’énergie d’un proton est en fait répartie selon différentes proportions entre ces quarks et plus généralement, ces partons
ATLAS,CMS,LHCb et ALICE
La complexité des réactions qui auront lieu dans les collisions est donc telle que différents détecteurs spécifiques de la physique que l’on veut faire avec le LHC ont été construits. Il y en a quatre principaux mais ce ne sont pas les seuls.
Les quatre détecteurs principaux du LHC. Crédit : Cern
Les deux premiers qui sont presque des frères jumeaux quant aux types de recherches auxquels ils sont voués sont ATLAS et CMS. Leur but principal est bien sûr la découverte du boson de Higgs mais ils sont aussi spécifiquement conçus pour détecter les particules supersymétriques. D’après cette théorie, de même qu’un électron peut exister selon deux états de spin dans l’Univers, chaque particule du modèle standard pourrait exister sous deux formes de spins et de masses différents. Les leptons et les quarks sont des fermions de spins demi-entiers mais il devrait donc exister selon les théories supersymétriques des bosons de spins entiers associés aux électrons, muons, neutrinos et quarks. Ces superpartenaires, comme on les appelle, devraient être bien plus lourds, car sinon, on les aurait déjà observés en accélérateurs. On les nomme des squarks, des sélectrons etc... Tout naturellement, les bosons comme les photons et les gluons ont eux aussi leurs superpartenaires, mais on les nomme les photinos et les gluinos. Ce sont bien entendu des fermions. Beaucoup de physiciens pensent qu’une large partie de la matière noire pourrait être composée de ces particules supersymétriques, plus précisément d'un groupe d’entre-elles stables que l’on a appelé des neutralinos. Les produire en accélérateur résoudrait donc définitivement la question de l’existence de la matière noire même si, grâce aux données issues de WMAP et des collisions d’amas de galaxies, la présence de cette dernière est quasiment démontrée A gauche les quarks et les leptons du modèle standard et à droite les squarks et les sleptons, leur partenaires supersymétriques. Au boson de Higgs est bien sûr associé un fermion, le Higgsino.
ATLAS et CMS ont aussi le potentiel de vérifier la théorie des cordes et l’existence de dimensions spatiales supplémentaires. Si ces dernières existent, les gravitons, l’équivalent sans masse des photons pour le champ de gravitation, doivent exister sous plusieurs formes dont certaines douées de masses et capables de s’échapper dans ces dimensions spatiales supplémentaires. Leur présence se signalerait alors dans les réactions par des déficits en énergie et en impulsion. Le plus fascinant est que dans le cadre de ses théories, des mini trous noirs pourraient être créés et observés en train de s’évaporer, dans ATLAS par exemple. En complément des recherches de signes de la supersymétrie avec ATLAS et CMS, l’énigme de l’antimatière cosmologique manquante sera aussi étudiée avec le détecteur LHCb. Dans la physique des quarks b qui y seront produits, se cachent les clés pour comprendre la violation CP, un ingrédient fondamental selon les trois conditions de Sakharov, pour expliquer pourquoi il existait plus de matière que d’antimatière lors du Big Bang et qu’un résidu de matière a pu survivre aux annihilations de paires de particule-antiparticule. Très probablement, là aussi, la supersymétrie a son mot à dire. Enfin, vient ALICE, dans lequel ce sont les ions de plomb qui entreront en collision et qui est spécifiquement conçue pour étudier la formation d’un plasma quark-gluon. Remarquablement, ce pourrait être là aussi un moyen de tester la théorie des supercordes car cette dernière commence à faire des prédictions assez précises à ce sujet grâce à une possible formulation non-perturbatrice de cette dernière : la correspondance AdS/Cft. La stratégie pour découvrir les particules est toujours la même. Il faut mesurer leur quantité de mouvement P et leur énergie E. A partir de là, en utilisant les lois de la relativité restreinte, on peut déterminer leur masse. En fonction des différentes théories, des moyennes sur les types et les nombres de particules finales issues des particules instables produites et se désintégrant sont prédites. En utilisant par exemple des champs magnétiques, les particules chargées voient leurs trajectoires déviées et l’on peut ainsi remonter à leur quantité de mouvement. Maintenant en fonction de leur nature et selon les matériaux rencontrés, les particules vont perdre leur énergie selon un taux déterminé.
Le taux de perte d'énergie par distance parcouru dans un calorimètre des particules en fonction de leur quantité de mouvement P (momentum). De gauche à droite, pour les muons, les mésons pi, les mésons K et les protons et horizontalement, les électrons. Ces courbes sont l'une des clés utilisées pour identifier les particules dans les détecteurs. Crédit : Cern
C’est pourquoi les détecteurs sont constitués en général d’une série d’enveloppes, la première, la plus proche du lieu des réactions est le trajectographe (Tracking Chamber), qui nous permet d’accéder entre autre à la quantité de mouvement, et vient ensuite ce qu’on appelle les calorimètres (Calorimeter) électronique et hadronique dans lesquels, selon la nature des particules et de leurs interactions, l’énergie des particules se dépose et peut être mesurée.
Les différentes couches concentriques de l'intérieur vers l'extérieur en partant de la gauche dans un détecteur standard au LHC. Crédit : Michel Lefebvre
Comme on le voit sur le schéma ci-dessus, les photons et les électrons-positrons déposent rapidement leur énergie dans le calorimètre électromagnétique mais les protons et les mésons pi chargés traversent ce dernier pour être stoppés par le calorimètre hadronique. Leur trajectoire dans le détecteur est bien visible mais dans le cas d’un neutron neutre, il faudra attendre qu’il pénètre dans le calorimètre hadronique pour qu’il y devienne visible en créant plusieurs autres hadrons. Le schéma précédent n’est que la simplification de la coupe d’un détecteur comme ATLAS ou CMS qui est illustré par le schéma ci-dessous
Une coupe de l'un des détecteurs équipant le LHC (CMS). Crédit : Cern
catalyseur
Nombre de messages : 530 Date d'inscription : 03/12/2008 Age : 43
Sujet: LHC : à nouveau des collisions dans le détecteur CMS Mar 10 Nov - 22:32
LHC
:
à nouveau des collisions dans le détecteur CMS
Ce n’était plus arrivé depuis septembre 2008... Des bouffées de particules produites par les collisions d’un faisceau de protons sur une plaque de métal à l’entrée du détecteur géant CMS ont été observées ce samedi 7 novembre 2009. Il y a plus d’un an, le 10 septembre 2008 , les premiers faisceaux de protons circulaient dans le LHC. Des collisions auraient dû intervenir quelques semaines seulement après le « first beam day » mais la défaillance de connexions entre aimants dipolaires supraconducteurs et la fuite d’hélium résultante ont stoppé net les préparatifs. Malgré tout, le passage des paquets de protons dans les détecteurs Atlas et Compact Muon Solenoid, c'est-à-dire CMS, s’était tout de même accompagné de la production de quelques événements, comme on dit dans le jargon des physiciens des particules. En effet, des dispositifs de collimation des faisceaux à l’entrée des détecteurs (des plaques métalliques) ont vu leurs noyaux bombardés par certains des protons des faisceaux et quelques réactions se sont produites.
Les énergies des protons étaient plus faibles que celles de ceux du Tévatron aux Etats-Unis, sans parler de la luminosité des faisceaux. Les particules produites alors étaient donc bien connues des physiciens, et il était très hautement improbable qu'on puisse y observer le boson de Higgs ou des particules supersymétriques. Quant aux chances d’y produire un mini trou noir, elles étaient rigoureusement nulles étant donné qu’il faudrait au moins plusieurs TeV. De toutes façons, comme Aurélien Barrau l'a rappelé, il n’y a rien à craindre à propos de l’hypothétique production de mini trous noir au LHC. Incidemment, certaines personnes incompétentes en physique des hautes énergies et en relativité générale n’ont toujours rien compris puisqu’elles se préparent en ce moment à porter plainte contre le Cern devant la Cour Européenne des Droits de l’Homme.
L'instrument fonctionne
Depuis plus d’une semaine, les faisceaux de protons sont de retour dans le LHC et en début de soirée du samedi 7 novembre 2009, des collisions au niveau du collimateur à l’entrée de CMS ont à nouveau été produites par les physiciens. Ce fut l’occasion de tester que tout fonctionnait bien et les écrans n’ont pas manqué de montrer les reconstructions des traces des particules créées traversant les couches des Calorimétres Electromagnétiques (ECAL) et Hadroniques (HCAL). Si tous se passe bien, les premières collisions entre faisceaux de protons auront lieu vers la mi-décembre mais il faudra encore attendre 2010 pour que les physiciens partent vraiment à la recherche d’une nouvelle physique avec les différents détecteurs du LHC. Le boson de Higgs, plus précisément comprendre les détails de ce qu’on appelle la brisure électrofaible est toujours l’objectif numéro un des chercheurs mais peut-être découvriront-ils que la particule introduite pour expliquer les masses des particules par Peter Higgs soit n’existe pas, soit n’est pas observable comme l’a parié Stephen Hawking.
Mar 27 Oct - 23:28
