Premières collisions 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 : ça sert à quoi ?

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 !

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.

Images obtenues lors du traitement de certains Cancers par hadronthérapie
 

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 10²⁷ 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). 

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 
Le CERN : http://www.cern.ch 

Premiers résultats des collisions dans le LHC: LHC : First Physics

Les collisions dans les 4 principales expériences du LHC :

- ALICE : News

- ATLAS : affichage des dernières collisions

- CMS : Premières collisions à 7 TeV

- LHCb : affichage des dernières collisions

Par Benjamin Bradu -