Le Large Hadron Collider (LHC ou grand collisionneur de hadrons en Français) est un accélérateur de particules mis en opération le 10 septembre 2008[1] au Conseil européen pour la recherche nucléaire (CERN) à la frontière franco-suisse. C'est le plus important accélérateur de particules au monde construit à ce jour, dépassant en terme d'énergie le Tevatron aux États-Unis. Il a été construit dans le tunnel de 27 km de circonférence de son prédécesseur, le collisionneur LEP (Large Electron Positron). À la différence de ce dernier, ce sont des protons — de la famille des hadrons — qui sont accélérés pour produire des collisions, en lieu et place des électrons ou des positrons pour le LEP. Ces protons sont accélérés jusqu'à une énergie de 7 TeV, soit près de 4 000 fois leur énergie de masse. Le LHC sera également utilisé pour accélérer des ions lourds comme le plomb avec une énergie de collision de 1 150 TeV pour le noyau dans son ensemble soit un peu plus de 5,5 TeV par nucléon qu'il contient. Six détecteurs, dont quantre de très grande taille, sont installés sur cet accélérateur, à savoir ATLAS, CMS, TOTEM, LHCb, Alice et LHCf. Les deux premiers, basés sur des solutions technologiques différentes, étudieront la physique des particules, en particulier la recherche du boson de Higgs et des particules supersymétriques. TOTEM, de taille plus modeste, est dédié à la mesure de la section efficace des protons. LHCb étudiera la violation de la symétrie CP par l'intermédiaire de particules produites lors des collisions proton-proton et contenant un quark b (d'où son nom). ALICE étudiera la physique nucléaire dans le mode de collision d'ions lourds, et LHCf sera dédié à l'étude des particules produite dans un angle très petit de la trajectoire des protons incident, permettant ainsi de mieux simuler le phénomène d'interaction des rayons cosmiques de très haute énergie avec la haute atmosphère terrestre.
-Leboson de Higgs, chaînon manquant au modèle standard existe-t-il ? En existe-t-il plusieurs (modèle supersymétrique) ?
-Quelle est l’origine de la masse des particules ?
-Pourquoi les différentes particules élémentaires ont-elles des masses différentes ? (C’est-à-dire, est-ce que les particules interagissent avec le Higgs ?)
-À combien de décimales peut-on mesurer l'énergie et la masse des particules et notamment celle des quarks top et bottom ?
-Nous pensons qu'une énorme partie de l'énergie (masse) contenue dans l'univers (matière noire et énergie noire) n'est pas constituée de la matière telle que nous la connaissons. Qu'est-ce donc ?
-Est-ce que la supersymétrie existe ? Et si oui quel est le modèle supersymétrique qui décrit la Nature ?
-Existe-t-il d’autres dimensions cachées, comme le prédisent de nombreux modèles inspirés de la théorie des cordes, et si oui, peut-on les mettre en évidence ?
-Est-il possible de produire des trous noirs microscopiques ?
Historique
-Quelle est l’origine de la masse des particules ?
-Pourquoi les différentes particules élémentaires ont-elles des masses différentes ? (C’est-à-dire, est-ce que les particules interagissent avec le Higgs ?)
-À combien de décimales peut-on mesurer l'énergie et la masse des particules et notamment celle des quarks top et bottom ?
-Nous pensons qu'une énorme partie de l'énergie (masse) contenue dans l'univers (matière noire et énergie noire) n'est pas constituée de la matière telle que nous la connaissons. Qu'est-ce donc ?
-Est-ce que la supersymétrie existe ? Et si oui quel est le modèle supersymétrique qui décrit la Nature ?
-Existe-t-il d’autres dimensions cachées, comme le prédisent de nombreux modèles inspirés de la théorie des cordes, et si oui, peut-on les mettre en évidence ?
-Est-il possible de produire des trous noirs microscopiques ?
Historique
Le projet de construire un grand collisionneur de hadrons a été officiellement approuvé en 1994, pour succéder et déloger le LEP. Le début de son fonctionnement était initialement prévu pour 1999 mais des retards multiples, techniques et financiers, l'ont repoussé successivement à la fin de l'année 2007 puis à la fin de l'été 2008. Les travaux pour la construction de son concurrent américain, le SSC (Super Conducting Super Collider), ou Desertron ont été stoppés en 1993 (par Bill Clinton).
Le coût du projet est actuellement de 6,3 milliards d'euros[2]. Tous les éléments de l'accélérateur et de ses expériences (détecteurs) sont en place fin 2007. Le retard pris pour la mise en route est maintenant lié à toutes sortes de petits incidents techniques qui nécessitent des vérifications constantes.
« Nous sommes toujours déterminés à commencer l’exploitation du LHC pour la physique à l’été 2008. Un projet aussi complexe a forcément des débuts difficiles, et le LHC n’échappe pas à la règle. Nous avons dû surmonter des difficultés causées par les triplets internes, les modules enfichables et de nombreuses fuites de vide. Les conséquences de ces incidents ont été beaucoup moins dramatiques en réalité que dans la perception qu’on en a parfois eue. Dans tous les cas, nous avons simplement réglé le problème et nous avons poursuivi le travail. Au point où en sont les choses aujourd’hui, nous comptons sur un démarrage au début de l’été [2008], mais il faut rester prudent. Jusqu’à ce que le LHC ait été refroidi dans sa totalité et que tous les circuits électriques aient été testés, le risque demeure d’un retard de deux ou trois mois au cas où un secteur devrait être remonté en température. »[3]Le 29 février 2008, le dernier élément du détecteur Atlas était descendu dans sa caverne. Le lancement de l'accélérateur (injection des premiers protons) devrait avoir lieu cet été. L'article de presse CERN du 7 août 2008 annonce les premiers faisceaux pour le 10 septembre 2008. L'événement sera téléfilmé en Eurovision[4]. La date officielle de l'inauguration est fixée au 21 octobre 2008.
Le coût du projet est actuellement de 6,3 milliards d'euros[2]. Tous les éléments de l'accélérateur et de ses expériences (détecteurs) sont en place fin 2007. Le retard pris pour la mise en route est maintenant lié à toutes sortes de petits incidents techniques qui nécessitent des vérifications constantes.
« Nous sommes toujours déterminés à commencer l’exploitation du LHC pour la physique à l’été 2008. Un projet aussi complexe a forcément des débuts difficiles, et le LHC n’échappe pas à la règle. Nous avons dû surmonter des difficultés causées par les triplets internes, les modules enfichables et de nombreuses fuites de vide. Les conséquences de ces incidents ont été beaucoup moins dramatiques en réalité que dans la perception qu’on en a parfois eue. Dans tous les cas, nous avons simplement réglé le problème et nous avons poursuivi le travail. Au point où en sont les choses aujourd’hui, nous comptons sur un démarrage au début de l’été [2008], mais il faut rester prudent. Jusqu’à ce que le LHC ait été refroidi dans sa totalité et que tous les circuits électriques aient été testés, le risque demeure d’un retard de deux ou trois mois au cas où un secteur devrait être remonté en température. »[3]Le 29 février 2008, le dernier élément du détecteur Atlas était descendu dans sa caverne. Le lancement de l'accélérateur (injection des premiers protons) devrait avoir lieu cet été. L'article de presse CERN du 7 août 2008 annonce les premiers faisceaux pour le 10 septembre 2008. L'événement sera téléfilmé en Eurovision[4]. La date officielle de l'inauguration est fixée au 21 octobre 2008.
Caractéristiques techniques
Construit dans le tunnel de 3 mètres de diamètre et de 27 km de circonférence qui avait abrité le LEP (1989-2000), foré sous la plaine lémanique entre Genève et le Jura, passant sous le pays de Gex, à une profondeur moyenne de 100 mètres (entre 50 et 175 mètres), le LHC est d'abord un accélérateur-collisionneur circulaire de protons (protons contre protons : pp). Le dispositif utilise la technologie du synchrotron. Les 2 faisceaux de particules sont accélérés en sens inverse par le champ électrique à très haute fréquence des cavités accélératrices et des klystrons. Ils tournent dans 2 tubes jumelés où règne un ultravide, insérés dans un même système magnétique supraconducteur refroidi par de l'hélium liquide. Des aimants additionnels sont utilisés pour diriger les faisceaux aux 4 points d'intersection où des collisions permettront des interactions entre les particules.
Les aimants supraconducteurs
1 746 électroaimants supraconducteurs, dont 1 232 aimants dipolaires de courbure sont répartis autour des deux anneaux accélérateurs lovés l'un dans l'autre. Des électroaimants quadripolaires assurent la focalisation des faisceaux de particules.
Les électroaimants de courbure mesurent 15 mètres de long, sont légèrement courbes, pèsent 34 tonnes chacun, engendrent un champ magnétique de 8,3 Tesla (83 000 Gauss) et permettent une déviation du faisceau de 0,6 mm par mètre. Ils sont bobinés avec un câble métallique complexe fait de filaments de niobium-titane inséré dans du cuivre. Plusieurs milliers de filaments de 7 µm composent le câble. 7 000 km de câbles (1 200 tonnes) ont été fabriqués pour ces bobinages. La supraconductivité permet de maintenir un courant électrique de 12 000 ampères dans le câble (courant nominal). Le refroidissement cryogénique à 1,9 K (-271,3 °C) est réalisé par 94 tonnes d'hélium. Il faut 6 semaines de refroidissement pour amener les 40 000 tonnes du dispositif à 1,9 K[5].
Les électroaimants de courbure mesurent 15 mètres de long, sont légèrement courbes, pèsent 34 tonnes chacun, engendrent un champ magnétique de 8,3 Tesla (83 000 Gauss) et permettent une déviation du faisceau de 0,6 mm par mètre. Ils sont bobinés avec un câble métallique complexe fait de filaments de niobium-titane inséré dans du cuivre. Plusieurs milliers de filaments de 7 µm composent le câble. 7 000 km de câbles (1 200 tonnes) ont été fabriqués pour ces bobinages. La supraconductivité permet de maintenir un courant électrique de 12 000 ampères dans le câble (courant nominal). Le refroidissement cryogénique à 1,9 K (-271,3 °C) est réalisé par 94 tonnes d'hélium. Il faut 6 semaines de refroidissement pour amener les 40 000 tonnes du dispositif à 1,9 K[5].
Lesinjecteurs du LHC
L'accélération se produit par étages (pré accélérateurs) comme au Tevatron. Le LHC recevra les particules d'une chaine existante comprenant un Linac (accélérateur linéaire à protons de 50 MeV) qui alimente un Booster (Proton Synchrotron Booster / PSB). Les protons sont ensuite injectés à 1,4 GeV dans le PS (Proton Synchrotron 26 GeV) puis dans le SPS (Super Synchrotron à Protons de 2 km de diamètre) pour une montée en énergie jusqu'à 450 GeV. Deux dispositifs, le LEIR (Low-Energy Injector Ring), anneau de stockage et de refroidissement des ions et l'AD (Antiproton Decelerator), générateur d'antiprotons à 2 GeV permettent d'obtenir des particules refroidies et décélérées.
L'accélération se produit par étages (pré accélérateurs) comme au Tevatron. Le LHC recevra les particules d'une chaine existante comprenant un Linac (accélérateur linéaire à protons de 50 MeV) qui alimente un Booster (Proton Synchrotron Booster / PSB). Les protons sont ensuite injectés à 1,4 GeV dans le PS (Proton Synchrotron 26 GeV) puis dans le SPS (Super Synchrotron à Protons de 2 km de diamètre) pour une montée en énergie jusqu'à 450 GeV. Deux dispositifs, le LEIR (Low-Energy Injector Ring), anneau de stockage et de refroidissement des ions et l'AD (Antiproton Decelerator), générateur d'antiprotons à 2 GeV permettent d'obtenir des particules refroidies et décélérées.
Les faisceaux de protons
Les faisceaux parcourent les 27 km (26 658 mètres) de circonférence 10 000 fois par seconde (chaque proton parcourt l'anneau en 90 µs). Ils sont formés chacun de 2 835 paquets très denses de particules se suivant tous les 7,5 mètres (intervalle de 25 ns). Chaque paquet contient 1011 protons.
La puissance perdue par les particules est proportionnelle à la puissance quatrième du rapport entre l'énergie du faisceau et la masse des particules accélérées et inversement proportionnelle au rayon de l'accélérateur. Les protons étant 2 000 fois plus lourds que les électrons, ils perdent 1013 fois moins d'énergie par tour que les électrons pour une énergie de faisceau donnée. Mais les protons sont des objets composites (partons), constitués de quarks et de gluons. Chaque collision proton-proton sera en fait une collision entre deux constituants appartenant à l'un et à l'autre proton. Les détecteurs observeront des collisions quark-quark, quark-gluon ou gluon-gluon.
Paramètres généraux du LHC
Énergie de collision7 TeV
Énergie de l'injection450 GeV
Dipôle Champ magnétique à 7 TeV8,33 T
Luminosité1×1034 cm-2∙s-1
Courant (proton)0,56 A
Espace entre les bouffées7,48 m
La puissance perdue par les particules est proportionnelle à la puissance quatrième du rapport entre l'énergie du faisceau et la masse des particules accélérées et inversement proportionnelle au rayon de l'accélérateur. Les protons étant 2 000 fois plus lourds que les électrons, ils perdent 1013 fois moins d'énergie par tour que les électrons pour une énergie de faisceau donnée. Mais les protons sont des objets composites (partons), constitués de quarks et de gluons. Chaque collision proton-proton sera en fait une collision entre deux constituants appartenant à l'un et à l'autre proton. Les détecteurs observeront des collisions quark-quark, quark-gluon ou gluon-gluon.
Paramètres généraux du LHC
Énergie de collision7 TeV
Énergie de l'injection450 GeV
Dipôle Champ magnétique à 7 TeV8,33 T
Luminosité1×1034 cm-2∙s-1
Courant (proton)0,56 A
Espace entre les bouffées7,48 m
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