Grand collisionneur de hadrons

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Modèle:Coord

Fichier:CERN LHC Tunnel1.jpg
Tunnel du LHC avec le tube contenant les électroaimants supraconducteurs.

Le Grand collisionneur de hadrons<ref>Désignation officielle française selon le site suisse du CERN.</ref> (en anglais : Modèle:Langue — LHC) est un accélérateur de particules mis en fonction en 2008 au CERN et situé dans la région frontalière entre la France et la Suisse, entre la périphérie nord-ouest de Genève et le pays de Gex (France). C'est l'accélérateur de particules le plus puissant construit à ce jour, Modèle:Langue depuis son amélioration achevée en 2015 après deux ans de mise à l'arrêt<ref>Modèle:Lien web.</ref>. Il est même présenté comme le plus grand dispositif expérimental jamais construit pour valider des théories physiques<ref group="Note">Cette affirmation floue reste difficile à étayer. Par exemple, les interféromètres du Modèle:Langue ou du Modèle:Langue sont des instruments astronomiques d'une bien plus grande extension spatiale (plusieurs milliers de kilomètres pour le dernier cité), mais le Modèle:Langue représente un volume d'instruments scientifiques nettement plus grand.</ref>. En 2012, il confirme l'existence du boson de Higgs.

Le LHC a été construit dans le tunnel circulaire (Modèle:Unité de circonférence<ref>{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} LHC Modèle:Nobr : chiffres clés.</ref>) de son prédécesseur, le collisionneur LEP (Modèle:Langue). À la différence de ce dernier, ce sont des protons Modèle:Incise qui sont accélérés pour produire des collisions, en lieu et place des électrons ou des positons pour le LEP.

Ces protons seront accélérés jusqu'à une énergie de Modèle:Unité, soit près de Modèle:Nombre leur énergie de masse. L'énergie totale de deux protons incidents sera ainsi de Modèle:Unité. Le LHC sera également utilisé pour accélérer des ions lourds comme le plomb avec une énergie totale de collision de Modèle:Unité pour le noyau dans son ensemble, soit un peu plus de Modèle:Unité par nucléon qu'il contient.

Huit détecteurs, dont quatre de très grande taille, sont installés sur cet accélérateur, à savoir ATLAS, CMS, TOTEM, LHCb, ALICE, LHCf, MoEDAL et FASER (voir leur description détaillée).

Fichier:Location Large Hadron Collider.PNG
Situation du LHC et du SPS.
Fichier:BosonFusion-Higgs.svg
Un diagramme de Feynman montrant une voie possible de génération d'un boson de Higgs au LHC. Ici deux quarks émettent des bosons W ou Z0 qui se combinent pour former un boson de Higgs neutre.

Objectifs

Les physiciens espèrent apporter des éléments de réponse à plusieurs questions concernant la physique des particules et la cosmologie à l'aide de ces détecteurs<ref>G. F. Giudice, L'Odyssée du Zeptoespace : Un voyage au cœur de la physique du LHC, PPUR, Lausanne 2013, Modèle:ISBN.</ref> :

  • le modèle standard décrit de façon remarquablement précise la physique des particules. Il prédit l'existence d'une particule, appelée boson de Higgs, dont la détection est un des objectifs prioritaires du LHC car il permettrait de tester la validité de certaines théories (telle que la théorie des cordes). Cette détection a été annoncée le Modèle:Date- ;
  • de nombreux arguments théoriques privilégient l'existence de ce que l'on appelle la supersymétrie, qui prédit que chaque type de particule connue possède un alter-ego appelé superpartenaire. La mise en évidence de la supersymétrie est le second enjeu du LHC ;
  • de très nombreux modèles de supersymétrie existent. Si la supersymétrie est détectée, le LHC sera en mesure de faire le tri entre les modèles viables ;
  • les observations cosmologiques indiquent qu'une grande partie (96 %) de la masse de l'univers est sous forme de constituants inconnus en laboratoire. L'un de ces constituants, appelé, faute de mieux le connaître, la « matière noire », pourrait être mis en évidence au LHC ;
  • des modèles de physique des hautes énergies, notamment la théorie des cordes, prédisent l'existence de dimensions supplémentaires en sus des quatre dimensions (3 + le temps) d'espace que nous connaissons. Certaines collisions réalisées au LHC pourraient indirectement les mettre en évidence, notamment par la formation de trous noirs microscopiques ;
  • il semble probable que matière et antimatière existaient en quantités égales lors du Modèle:Langue. Par la suite, un phénomène très mal connu a vraisemblablement généré un léger surplus de matière sur l'antimatière (ce phénomène est appelé baryogénèse). Matière et antimatière se sont ensuite annihilées en quantités strictement égales, ne laissant finalement que l'infime surplus de matière. Le LHC pourrait être en mesure de mieux expliquer ce processus ;
  • les noyaux atomiques sont constitués de protons et de neutrons, chacun étant composé d'entités plus élémentaires appelées quarks. Les quarks n'existent aujourd'hui pas isolément, mais uniquement par groupes de deux ou trois particules (3 dans le cas des neutrons et des protons). Cette propriété est appelée confinement des quarks. Selon toute vraisemblance, à très haute température, les quarks peuvent exister isolément. Le LHC tentera de mettre en évidence cette « transition de déconfinement », et les propriétés de ce nouvel état de la matière appelé plasma quark-gluon.

Historique

Le projet de construire un grand collisionneur de hadrons fut officiellement approuvé en Modèle:Date-, pour succéder au LEP. Les quatre grands détecteurs installés (ATLAS, CMS, ALICE et LHCb) furent approuvés entre 1996 et 1998. Sa mise en service était initialement prévue pour 1999 mais des retards multiples, techniques et financiers, la repoussèrent successivement à la fin de l'année 2007 puis à la fin de l'été 2008. L'arrêt du LEP eut finalement lieu en 2000, et son démantèlement, suivi du début de la construction du LHC, eut lieu presque immédiatement après. Un débat eut lieu en 2000 lors de l'arrêt du LEP. Celui-ci produisit des résultats ambigus aux plus hautes énergies auxquelles il pouvait fonctionner (un peu plus de Modèle:Unité), suggérant la mise en évidence du boson de Higgs, une particule prédite par le modèle standard de la physique des particules. L'opportunité de prolonger la durée de vie du LEP afin de confirmer ce résultat fut opposée à celle de démanteler le LEP afin de construire le LHC le plus rapidement possible. Ce fut finalement la seconde solution qui fut retenue, la sensibilité du LEP étant considérée comme insuffisante pour confirmer de façon indiscutable l'existence du boson de Higgs, et le risque que le boson de Higgs soit découvert dans l'intervalle par le Tevatron, installé aux États-Unis, étant considéré comme limité.

Un projet d'accélérateur similaire mais plus puissant (énergie de Modèle:Unité par proton au lieu de 7 pour le LHC) avait également été proposé aux États-Unis, le Modèle:Langue (SSC), mais fut abandonné pour diverses raisons budgétaires en 1993.

Le coût total du projet est pour le CERN de Modèle:Nombre de francs suisses<ref>La FAQ du LHC Modèle:Pdf.</ref> (soit environ Modèle:Nombre d'euros). La construction du LHC lui-même se monte à Modèle:Nombre de francs suisses, dont une masse salariale de 20 %. La part financée par le CERN dans la construction des détecteurs se monte à Modèle:Nombre de francs suisses, plus une contribution majoritaire hors CERN (le CERN finance 20 % de CMS et LHCb, 16 % de ALICE et 14 % de ATLAS). Un peu moins de Modèle:Nombre de francs suisses ont été également investis dans l'amélioration de l'injecteur (la chaîne d'accélérateurs qui produit les faisceaux et les injecte dans l'anneau principal) et les moyens informatiques. Tous les éléments de l'accélérateur et de ses expériences (détecteurs) étaient en place fin 2007-début 2008.

Médiatisation de craintes autour des conséquences de la mise en opération

Modèle:Section à recycler

Si la presse scientifique a surtout souligné les enjeux scientifiques de l'expérience, un des aspects les plus traités par la presse généraliste est constitué par les actions en justice de quelques scientifiques qui demandent la suspension de l'expérience par crainte de création de micro trous noirs au LHC. En astrophysique, un trou noir est décrit comme un objet engloutissant tout sur son passage, mais les trous noirs microscopiques susceptibles d'être créés au LHC ne partageraient pas cette propriété. Dans le cas où ils seraient néanmoins produits, ils seraient, du fait de leur masse, soumis au phénomène d'évaporation des trous noirs prédit par Stephen Hawking en 1975 et disparaîtraient avant d'avoir eu le temps d'absorber la matière environnante. Le phénomène d'évaporation des trous noirs n'ayant jamais été observé expérimentalement, et étant méconnu du grand public, les risques de l'expérience n'ont pas pu être réfutés formellement et sont devenus un sujet populaire.

Le Modèle:Date, deux personnes, Walter L. Wagner et Luis Sancho ont cependant intenté un procès au CERN devant la cour d'Honolulu à Hawaï au motif que le collisionneur pourrait se révéler dommageable d'une manière ou d'une autre, par exemple en créant un trou noir. Leur plainte a été jugée recevable<ref>{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}}Modèle:Langue, Modèle:Langue, par Dennis Overbye, Modèle:Date-.</ref>, pour être ensuite définitivement rejetée<ref>En bref : la plainte américaine contre le LHC définitivement rejetée ! sur Futura-sciences.</ref>. Une autre plainte a été déposée, fin Modèle:Date, en Europe, devant la Cour européenne des droits de l'homme de Strasbourg pour les mêmes raisons<ref>Swissinfo.ch — CERN : plainte contre le démarrage du LHC.</ref>. La plainte a finalement été rejetée quelques jours plus tard<ref>tsr.ch — CERN : le LHC pourra démarrer comme prévu.</ref>.

À la suite de ces affaires, plusieurs chercheurs, puis le CERN, ont publié divers documents<ref>{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} J. Ellis, G. F. Giudice, M. L. Mangano, I. Tkachev, U. Wiedemann Modèle:Langue, arXiv:0806.3414 (hep-ph), juin 2008 Voir en ligne.</ref>,<ref>{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Benjamin Koch, Marcus Bleicher & Horst Stoecker, Modèle:Langue, arXiv:0807.3349 (hep-ph), Modèle:Date- Voir en ligne. Une traduction française est aussi disponibleModèle:Pdf.</ref>,<ref>Communiqué de presse du CERN du Modèle:Date- : Le Conseil du CERN attend impatiemment le démarrage du LHC. Un résumé des conclusions du rapport est également disponible dans une langue non technique.</ref> sur la sécurité du LHC, concluant que l'accélérateur est sûr<ref>Réponses aux questions de sécuritéModèle:Pdf.</ref>. Le principal argument mis en avant est que la haute atmosphère terrestre, et en fait tous les corps célestes, sont continuellement bombardés de particules très énergétiques, les rayons cosmiques. L'énergie dégagée par ces collisions peut parfois être bien supérieure à celle mise en jeu dans un accélérateur de particules sur Terre comme le LHC, aussi sont-ils certains que quels que soient les effets secondaires de ces réactions, ils ne seront pas dangereux pour la biosphère, sans quoi elle n'aurait pu se développer pendant plusieurs milliards d'années.

La crainte que des collisions de particules élémentaires donnent lieu à un événement catastrophique n'est pas nouvelle, elle remonte à près de dix ans. Lors de la mise en service du collisionneur d'ions lourds [[Collisionneur relativiste d'ions lourds|Modèle:Langue]] (RHIC) du Laboratoire national de Brookhaven (État de New York), le physicien Alvaro de Rujula et deux collaborateurs avaient imaginé un scénario catastrophe susceptible, en principe, de provoquer la destruction de la Terre<ref>{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Arnon Dar, Alvaro De Rújula & Ulrich Heinz, Modèle:Langue, Modèle:Langue, 470, 142-148 (1999), hep-ph/9910471 Voir en ligne.</ref>. L'affaire avait à l'époque également suscité suffisamment d'intérêt pour nécessiter une analyse détaillée expliquant l'innocuité d'une telle expérience<ref>{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Robert Jaffe, W. Busza, J. Sandweiss & Frank Wilczek, Modèle:Langue, Modèle:Langue, 72, 1125-1140 (2000), hep-ph/9910333 Voir en ligne.</ref>.

Le physicien Stephen Hawking, après avoir exposé, en 2008, ses raisons de penser que l'on n'observerait pas le boson<ref>Modèle:Lien web</ref>, s'est exprimé sur ses craintes à l'égard du boson de Higgs, en 2014 :

Le boson de Higgs a le potentiel inquiétant de devenir métastable à des énergies dépassant les Modèle:Nombre de gigaélectron volt. Cela pourrait dire que l'univers pourrait subir une désintégration du vide catastrophique, avec une bulle s'étendant à la vitesse de la lumière. […] Cela pourrait se produire à tout moment et nous ne le verrions pas venir<ref>Modèle:Lien web</ref>.

Des collisions à Modèle:Nombre de GeV par proton requerraient un accélérateur de la taille de la Terre<ref>Modèle:Lien web.</ref>.

Premier faisceau dans le LHC

Le LHC a été finalement lancé le Modèle:Date-. Un communiqué de presse du CERN a rapporté en ces termes l'injection du premier faisceau dans l'accélérateur : Modèle:Citation<ref>Communiqué de presse du CERN : Premier faisceau dans le LHC - accélérateur de science, publié le Modèle:Date-.</ref>.

Le LHC a été arrêté une première fois quelques jours après, en raison d'un problème électrique affectant le système de refroidissement. Il a été remis en route le Modèle:Date-, avant d'être de nouveau arrêté, et pour un peu plus d'une année, à cause d'un incident lors d'un test. Selon un communiqué du CERN<ref>Communiqué de presse du CERN : Incident dans le Modèle:Nobr du LHC, publié le Modèle:Date-.</ref>, le problème vient d'une importante fuite d'hélium survenue dans le tunnel. Cette fuite a été occasionnée par un problème de connexion électrique qui a entraîné la fonte de deux aimants<ref>{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Résumé du rapport d'analyse de l'incident du Modèle:Date- Modèle:Pdf.</ref>.

L'accélérateur a redémarré le Modèle:Date- avec l'injection de protons et d'ions lourds<ref>{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Modèle:Langue, publié le Modèle:Date-.</ref> et le Modèle:Date-, les premières particules étaient détectées dans le détecteur CMS<ref>LHC : à nouveau des collisions dans le détecteur CMS sur Futura-sciences.</ref>.

Le Modèle:Date-, le faisceau de protons réalise à nouveau plusieurs tours complets du collisionneur. Le redémarrage se fait progressivement à une énergie de Modèle:Unité maximum dans un premier temps<ref>Lifting de haute-technologie pour l'accélérateur de particules LHC du CERN.</ref>. Le Modèle:Date-, le CERN indique avoir fait circuler dans le LHC le faisceau le plus énergétique du monde en ayant conféré aux protons une énergie de Modèle:Unité battant le record établi précédemment par l'accélérateur de particules américain Tevatron<ref>Nouveau record du monde pour le LHC, Modèle:Date-.</ref>,<ref>L'autoroute du LHC par science presse.</ref>.

Premières collisions

Fichier:Jean Iliopoulos (Ecole Normale Supérieure) - Philippe Binant Archives.jpg
Séminaire sur la physique du LHC par Jean Iliopoulos (2009)<ref>Séminaire sur la physique du LHC par Jean Iliopoulos, École Normale Supérieure, Paris, 2009.</ref>.

Le lundi Modèle:Date- marque la première collision de faisceaux de particules au sein de l'instrument. En début d'après-midi, après que deux faisceaux de protons eurent circulé en sens inverse, ils se sont rencontrés au niveau du détecteur ATLAS. Puis, plus tard dans la soirée, l'expérience a été renouvelée aux niveaux des détecteurs CMS, ALICE et LHCb<ref>« LHC : déjà des collisions de protons ! » sur futura-sciences.com.</ref>. Le Modèle:Date-, les physiciens de la collaboration ALICE ont publié sur arXiv, un article sur les premières collisions de protons au sein de ce détecteur<ref>{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Modèle:Langue.</ref>. Le Modèle:Date, les collisions de particules les plus énergétiques produites dans un accélérateur ont eu lieu. L'énergie totale a atteint Modèle:Unité battant ainsi le précédent record du Tevatron<ref>Nouveau record au LHC : des collisions à Modèle:Nombre ! sur futura-sciences.com.</ref>.

À partir de mi-Modèle:Date- a eu lieu un arrêt technique qui s'est achevé fin Modèle:Date- ; le but était de préparer la machine à une exploitation à Modèle:Unité par faisceau pendant l'année 2010<ref>Le LHC entre dans une phase nouvelle, CERN Bulletin, Modèle:N°, Modèle:Date-.</ref>. Cela a permis d'effectuer des collisions avec une énergie totale de Modèle:Unité le Modèle:Date-<ref>Modèle:Langue.</ref> mais avec une luminosité de Modèle:Unité très inférieure à la cible nominale du LHC. Le mois de mai a permis un accroissement par 6 de l'intensité des faisceaux de protons et par 60 de la luminosité des collisions<ref>Vers des intensités plus élevées, CERN Bulletin, Modèle:N°, Modèle:Date-.</ref>. Cette luminosité a continué de croître pendant tout l'été 2010 par augmentation du nombre de paquets injectés jusqu'à atteindre en septembre une luminosité de Modèle:Unité<ref>CERN News 24-07-2010 augmentation de luminosité.</ref>. L'objectif de luminosité crête fixé pour 2010 a été dépassé le Modèle:Date- avec une luminosité atteinte de Modèle:Unité<ref>Dernières nouvelles du LHC : objectif de luminosité 2010 atteint ! CERN Bulletin Modèle:N°, Modèle:Date-.</ref>.

Le Modèle:Date-, les faisceaux de protons ont été arrêtés pour être remplacés par des faisceaux d'ions lourds et en particulier des faisceaux d'ions de plomb<ref>Le LHC entre dans une nouvelle phase, Modèle:Date-.</ref>. Le Modèle:Date, le LHC a atteint une luminosité suffisante pour produire Modèle:Nombre de collisions par seconde<ref>L'accélérateur de particules du CERN atteint un nouveau record, lemonde.fr, Modèle:Date-.</ref>.

Début 2013 ont été réalisées des collisions de protons avec des ions plomb, dans le cadre de recherches sur l'état de la matière juste après le Big Bang<ref name="activité 2013">Modèle:Lien web ; Modèle:Article ; Modèle:Article.</ref>. Courant Modèle:Date-, le LHC est retourné quelques jours à des collisions proton-proton<ref name="activité 2013" />. Le LHC a ensuite été arrêté, toujours courant Modèle:Date-, pour une longue période de travaux d'environ deux ans<ref name="activité 2013" />. Ces travaux ont permis la mise à niveau du LHC en vue de la réalisation de collisions à des records d'énergie encore plus élevés, de l'ordre de Modèle:Nombre, attendues pour Modèle:Date-<ref name="Futura-Sciences-07-04-2015">Laurent Sacco, « LHC : la Modèle:Nobr a débuté au Cern », futura-sciences.com, le Modèle:Date-.</ref>. Le LHC a repris son activité le Modèle:Date-<ref name="Futura-Sciences-07-04-2015" />.

Caractéristiques techniques

Construit dans le tunnel de Modèle:Nombre de diamètre et de Modèle:Unité de long 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 Modèle:Nombre (entre Modèle:Unité), le LHC est d'abord un accélérateur-collisionneur circulaire de protons (protons contre protons, ou pp). Le dispositif utilise la technologie du synchrotron. Les deux 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 deux 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 quatre points d'intersection où des collisions permettront des interactions entre les particules.

Le tunnel

Le tunnel dans lequel est construit le LHC est celui précédemment utilisé par le LEP, pour des raisons budgétaires. Ce tunnel est d'une longueur d'un peu moins de Modèle:Unité (Modèle:Unité), et de forme approximativement circulaire. Il est en réalité composé de huit arcs de cercles appelés octants, reliés par des sections droites appelées insertions. Les huit octants sont de structure identique, et parsemés d'aimants dont le rôle est de courber le faisceau de particules.

Les travaux de creusement se déroulèrent de 1983 à 1988, utilisant entre autres trois tunneliers. À l'époque ce fut le plus vaste chantier européen avec plus de Modèle:Nombre de mètres cubes excavés. Il est à noter que l'anneau en lui-même représentait paradoxalement moins de la moitié de ce volume, le reste correspondant aux puits d'accès, aux cavernes destinées à accueillir les expériences, et à de multiples tunnels et galeries de service.

Cette entreprise ne fut pas sans difficultés : malgré la taille de l'ensemble la précision était de rigueur, et finalement l'écart avec le tracé théorique n'excéda pas un centimètre. En raison d'un problème géologique, l'ouvrage ne put être construit à l'horizontale parfaite : le plan dans lequel se trouve l'anneau présente ainsi une pente de 1,4 %. Et enfin, en 1986 le tunnel subit l'intrusion de grandes quantités d'eau, de sable, et de boue, ce qui entraîna une interruption du chantier pendant plusieurs mois<ref>CERN Modèle:50e ; Un jubilé en images, voir les dates : 1983 « La précision pour devise » et 1986 « La grande boucle… souterraine ».</ref>.

Les électroaimants supraconducteurs

Fichier:LHC dipole magnets.jpg
Électroaimant supraconducteur dipolaire.
Fichier:LHC quadrupole magnets.jpg
Électroaimant supraconducteur quadripolaire.

Le champ magnétique nécessaire pour courber le faisceau de protons de Modèle:Nombre est de Modèle:Nombre. De tels champs magnétiques peuvent être réalisés à l'aide d'électroaimants classiques, mais au prix d'un courant électrique considérable. En temps normal, un tel courant électrique serait à l'origine d'un très important dégagement de chaleur. Le seul moyen d'éviter ce problème consiste à utiliser le phénomène de supraconductivité, qui permet au courant électrique de circuler sans dissipation de chaleur. La supraconductivité ne se produit qu'à très basse température, quelques degrés au-dessus du zéro absolu.

Modèle:Nombre supraconducteurs, dont Modèle:Nombre dipolaires de courbure sont répartis autour des deux anneaux accélérateurs lovés l'un dans l'autre. Ces aimants dipolaires sont répartis de façon homogène à raison de Modèle:Nombre par octant. Des électroaimants quadripolaires assurent la focalisation des faisceaux de particules. Le LHC compte Modèle:Nombre quadripolaires principaux.

Les électroaimants de courbure mesurent Modèle:Unité de long, sont légèrement courbes, pèsent Modèle:Unité chacun, engendrent un champ magnétique de Modèle:Unité (Modèle:Unité) et permettent une déviation du faisceau de Modèle:Unité 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 Modèle:Unité composent le câble. Modèle:Unité de câbles (Modèle:Unité) ont été fabriqués pour ces bobinages. La supraconductivité permet de maintenir un courant électrique de Modèle:Unité dans le câble (courant nominal). Le refroidissement cryogénique à Modèle:Unité (Modèle:Tmp) est obtenu au moyen de Modèle:Nombre d'hélium. Il faut six semaines de refroidissement pour amener les Modèle:Unité du dispositif à Modèle:Unité<ref>François Vannucci, ATLAS - Le nouveau défi des particules élémentaires, Ellipses Modèle:Éd., 2007.</ref>.

Fichier:CERN - LHC hydrogen bottle.jpg
Bouteille d'hydrogène qui a alimenté en protons le LHC jusqu'en avril 2015

Les injecteurs du LHC

Fichier:LEIR img 1001.jpg
Le Modèle:Langue, faisant partie de la chaîne d'accélération des ions lourds étudiés par le LHC.

L'accélération se produit par étages (préaccélérateurs) comme au Tevatron. Le LHC reçoit les particules d'une chaîne existante comprenant un accélérateur linéaire de la série Linac (pour Modèle:Langue).

Installé en 1978, l'accélérateur à protons (Linac2) de Modèle:Unité alimente un Modèle:Langue (Modèle:Langue, ou PSB). Les protons sont ensuite injectés à Modèle:Unité dans le Modèle:Langue (PS), qui les accélère à Modèle:Unité avant leur passage dans le Super Synchrotron à Protons (SPS) de Modèle:Unité de diamètre pour une montée en énergie jusqu'à Modèle:Unité. Deux dispositifs, le LEIR (Modèle:Langue), anneau de stockage et de refroidissement des ions et l'AD (Modèle:Langue), générateur d'antiprotons à Modèle:Unité permettent d'obtenir des particules refroidies et décélérées.

En mode de collision d'ion lourds, la chaîne d'accélération est légèrement différente. Un second accélérateur linéaire, Linac3 accélère des atomes de plomb issus d'une source très pure de Modèle:Unité. Ces atomes sont partiellement ionisés, ayant perdu jusqu'à Modèle:Nombre (sur les 82 qu'ils comportent au départ). Seuls ceux ionisés Modèle:Nombre sont conservés. Ils sont alors accélérés à une énergie de Modèle:Unité par nucléon (soit environ Modèle:Unité pour le noyau complet) et sont mis en collision avec une feuille de carbone qui leur arrache Modèle:Nombre supplémentaires. Ils passent alors dans un instrument appelé LEIR (pour Modèle:Langue, ou anneau d'ions de basse énergie) où ils sont accélérés à Modèle:Unité par nucléon. Ils sont ensuite injectés dans le PS (sans passer par le Booster, contrairement aux protons) qui les accélère à Modèle:Unité par nucléon. Une seconde feuille finit d'arracher la totalité des électrons des ions, qui passent dans le SPS qui accélère les noyaux de plomb à Modèle:Unité par nucléon, avant de les injecter dans le LHC qui leur fait atteindre une énergie de Modèle:Unité par nucléon.

L'accélérateur linéaire Linac 4 est inauguré le Modèle:Date-. Il mesure Modèle:Unité de long et est alimenté par deux bouteilles d'hydrogène pressurisées. L'hydrogène entre dans une chambre à plasma où le mélange avec un gaz de césium transfère des électrons du césium vers l'hydrogène et génère des anions hydrures H−, leur charge permettant de les accélérer. De nombreux tests seront réalisés avant la connexion avec le LHC en 2019. Le Linac 4 participera au projet HL-LHC (HL signifiant « haute luminosité ») qui prévoit de multiplier la luminosité du LHC par 5 d'ici à 2026<ref>Modèle:Lien web.</ref>.

Les faisceaux de protons

Les protons sont accélérés à des vitesses extrêmement proches de celle de la lumière. Avec une énergie de Modèle:Unité, soit Modèle:Nombre leur énergie de masse, leur vitesse est d'environ Modèle:Nombre celle de la lumière, autrement dit, ils se déplacent à seulement Modèle:Unité par seconde moins vite que la lumière (299 792 455,3 au lieu de Modèle:Unité par seconde)<ref group="Note">Les lois de la relativité restreinte indiquent que l'énergie <math>E</math> d'une particule de masse <math>m</math> est donnée par la formule <math>E = \gamma m c^2</math>, où <math>c</math> est la vitesse de la lumière et <math>\gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - \left(\frac{v}{c}\right)^2}}</math>, <math>v</math> étant la vitesse de la particule. Leur vitesse est ainsi donnée par la formule <math>\frac{v}{c} = \sqrt{1 - \left( \frac{m c^2}{E}\right)^2}</math>. Ici, l'énergie du proton est Modèle:Nombre, très supérieure (d'un facteur 7500) à son énergie de masse <math>m c^2</math> de Modèle:Nombre. La formule donnant la vitesse peut alors se réécrire <math>v \approx c \left(1 - \frac{1}{2} \left(\frac{m c^2}{E}\right)^2\right)</math>.</ref>.

Fichier:LHC.svg
Le système des préaccélérateurs, le collisionneur et les expériences au LHC.
Les préaccélérateurs sont le PS (Modèle:Langue) et le SPS (Modèle:Langue). Le Modèle:Langue n'est pas représenté. Les accélérateurs linéaires permettent de choisir entre les protons et les ions lourds de plomb. Les quatre expériences principales sont représentées en jaune sur le collisionneur.

Les faisceaux parcourent les Modèle:Unité de circonférence environ Modèle:Nombre par seconde (chaque proton se déplaçant presque à la vitesse de la lumière, il parcourt l'anneau en Modèle:Unité). Ils sont formés chacun de Modèle:Nombre très denses de particules, ce qui représente une amélioration considérable par rapport au LEP, qui ne comportait que quatre paquets. L'intervalle entre les paquets est généralement de Modèle:Unité soit un écart de Modèle:Unité entre deux passages de paquets. Certains paquets sont beaucoup plus espacés pour diverses raisons de maintenance (injection de nouveaux paquets, ou éjection de paquets présents). Finalement, chaque point de collision voit Modèle:Nombre de collisions entre paquets par seconde.

Chaque paquet contient 1011 protons, mais lors d'une collision seule une infime partie des protons entre en collision. Afin de maximiser les chances de collision, les paquets sont comprimés au voisinage des détecteurs, pour mesurer Modèle:Nombre, alors qu'entre les détecteurs, leur étalement peut atteindre plusieurs centimètres en longueur (le long du faisceau) et un millimètre en largeur (perpendiculairement au faisceau). Avec les capacités de focalisation des faisceaux, ce sont environ Modèle:Nombre attendues dans une rencontre entre deux paquets, soit un peu plus de Modèle:Nombre de collisions enregistrables par seconde et par détecteur. Du fait des collisions et des particules déviées de leur trajectoire lors des interactions entre paquets, les faisceaux de protons s'appauvrissent peu à peu. Leur durée de vie est de quelques heures.

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 Modèle:Nombre 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, ce qui rend l'étude des collisions plus complexe que dans le cas de collisions électrons-positons comme c'était le cas dans le LEP. 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<ref>CERN FAQ Modèle:Pdf, Guide du LHC.</ref>
Énergie de collision Modèle:Unité
Énergie de l'injection Modèle:Unité (Modèle:Nombre)
Champ magnétique dipolaire pour faire circuler les protons à Modèle:Unité Modèle:Unité
Luminosité Modèle:Unité
Courant électrique du faisceau de protons Modèle:Unité
Espace entre les bouffées Modèle:Unité

Gestion informatique

Lors du fonctionnement normal de la machine, trente millions de croisements entre les paquets de protons de l'accélérateur auront lieu chaque seconde dans chaque détecteur des quatre expériences du LHC (Alice, Atlas, CMS et LHCb). Chaque croisement générant des collisions de particules qui créent alors une multitude de particules secondaires (plus de Modèle:Nombre reconstituées par événement ion-lourds<ref>{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Modèle:Langue, par Christof Roland.</ref> dans un détecteur tel que CMS).

Le flot de données résultant est bien au-delà des capacités de traitement et de stockage actuelles, c'est pourquoi les événements produits sont traités en ligne par des processus de déclenchements rapides, qui rejettent les événements jugés peu intéressants avant même que les données ne soient sorties du détecteur.

Cependant, même après cette première sélection qui ne retient que quelques événements par millions produits, cela fait encore de quelques dizaines à quelques centaines d'événements par seconde, pesant chacun de l'ordre d'un mégaoctet pour les données brutes (quelques centaines de kilooctets pour les données reconstruites) qu'il s'agit de stocker puis d'analyser<ref>{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Modèle:Langue.</ref>.

Au total, ce seront environ quinze pétaoctets de données qui devront être enregistrés et analysés chaque année par le système informatique associé au LHC<ref>Site web vitrine du projet WLCG Modèle:Langue.</ref>.

Le CERN ne disposant pas à lui seul d'une puissance suffisante de calcul, les instituts et les physiciens travaillant à ce projet étant répartis sur toute la planète, on a choisi de répartir les données dans le monde entier pour les analyses et de créer une couche logicielle (la grille) pour ce faire<ref>François Vanucci, L'environnement informatique, in ATLAS - Le nouveau défi des particules élémentaires, Ellipses Modèle:Éd.,2007.</ref>.

La grille informatique du LHC

La grille de calcul du LHC a été nommée WLCG (Modèle:Langue)<ref>Page web du projet.</ref>. D'un point de vue matériel, elle est composée de plusieurs dizaines de milliers d'ordinateurs, de plusieurs dizaines de pétaoctets de stockage disque et bandes répartis dans plus d'une centaine de centres de calcul dans le monde. Cet ensemble matériel est coordonné par l'infrastructure logicielle gLite (intergiciel – en anglais Modèle:Langue – de grille).

Cette grille est hiérarchisée en Modèle:Langue (niveaux) afin de répartir les rôles entre les différents centres de calcul impliqués dans WLCG. Au centre, le CERN (Tier-0) est la source des données (c'est là que se trouvent l'accélérateur et les détecteurs). Immédiatement rattaché au Tier-0 se trouve le Tier-1 qui reçoit une copie des données primaires par le biais de liaisons haut-débits spécialisées (au moins 10 gigabits par seconde). L'activité de Tier-1 implique sept centres européens (dont, pour la France le centre de calcul de l'IN2P3, à Villeurbanne, qui stockera environ un dixième des données<ref>À la Doua, on stocke la mémoire de l'Univers.</ref>), trois laboratoires américains et un laboratoire en Asie. De nombreux laboratoires plus petits (une centaine à travers le monde) forment un deuxième cercle de la structure (Tier-2) qui fournit la puissance de calcul pour les analyses et les simulations, ainsi que des espaces de stockage temporaire.

Quand le LHC fournira les données, un flux de plusieurs gigabits par seconde atteindra les Tiers-1. Ces instituts se connectent aux Tiers-2 laboratoires, à d'autres réseaux et à l'internet<ref>CC-IN2P3.</ref>. Au total, Modèle:Nombre informatiques, répartis sur Modèle:Nombre seront concernés. Lorsque le LHC fonctionnera à Modèle:Nombre, les données produites annuellement atteindront Modèle:Nombre de Go, soit Modèle:Unité.

Aux données de physique issues de collisions du faisceau s'ajoutent les données produites par les rayonnements cosmiques (utilisées pour tester les détecteurs avant que le LHC ne fonctionne), ainsi que les données issues des simulations informatiques réalisées sur la grille de calcul LCG.

La majorité des sites impliqués dans le projet LCG utilisent aussi leurs ressources informatiques pour d'autres projets scientifiques. En particulier, en Europe, la grille EGEE<ref>Modèle:Lien web.</ref> est ouverte aux scientifiques de nombreuses disciplines hors de la physique des particules tout en utilisant la même infrastructure logicielle que WLCG.

Tout particulier peut aussi aider le traitement de ces données en utilisant le LHC@Home.

Les détecteurs

Fichier:ATLAS (November 2006).jpg
Le détecteur ATLAS en cours d'assemblage.

Lors de la construction du tunnel du LEP, huit grandes cavités avaient été aménagées afin d'abriter un détecteur de grande taille. Ces cavités étaient surmontées d'un tunnel vertical afin d'y descendre l'instrumentation du détecteur. Quatre de ces emplacements abritaient les détecteurs du LEP (ALEPH, DELPHI, OPAL et L3). Certains ont été réutilisés pour les quatre grands détecteurs du LHC, ATLAS, CMS, ALICE et LHCb.

À ceux-ci se sont par la suite greffés deux autres détecteurs, de taille plus modeste, TOTEM et LHCf. Ces derniers se distinguent également par le fait qu'ils n'analysent pas le résultat des collisions frontales entre particules : en fait, ils s'intéressent à ce qu'on appelle les « particules à petits angles », c'est-à-dire les particules qui se sont simplement effleurées lors du croisement des paquets, et ont ainsi été déviées de leurs trajectoires sans entrer en collision<ref>{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} public.web.cern.ch ; Le LHC ; Les expériences.</ref>.

Les détecteurs équipant le LHC sont donc ATLAS, CMS, TOTEM, LHCb, ALICE, LHCf, MoEDAL et FASER. 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 destiné 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. LHCf, également de taille modeste, sera destiné à l'étude des particules produites dans un angle très petit de la trajectoire des protons incidents, permettant ainsi de mieux appréhender le phénomène d'interaction des rayons cosmiques de très haute énergie avec la haute atmosphère terrestre. MoEDAL, a pour mission de rechercher des monopôles magnétiques, une particule hypothétique portant une charge magnétique. Enfin, FASER cherche à détecter des particules hypothétiques de très faible masse d'interactions électromagnétique ou faible.

Expériences sur les faisceaux du LHC
Octant Nom Description Ancien détecteur du LEP
1 ATLAS Détecteur de particules par plusieurs couches concentriques de calorimètres.
Modèle:Nombre de long, Modèle:Nombre de large, Modèle:Nombre de haut. Masse : Modèle:Nombre<ref>public.web.cern.ch/Public/Welcome-fr - le LHC - ATLAS.</ref>. 		—
1 (à Modèle:Unité de part et d'autre d'ATLAS) LHCf Étude des particules produites « vers l'avant », afin de simuler les effets des rayons cosmiques.
Deux détecteurs de Modèle:Nombre de long, Modèle:Nombre de large, Modèle:Nombre de haut. Masse : 2×Modèle:Nombre<ref>public.web.cern.ch/Public/Welcome-fr - le LHC - LHCf.</ref>. 		—
1 (à Modèle:Unité d'ATLAS) Modèle:Nobr Rechercher de nouvelles particules légères et interagissant faiblement, comme les photons sombres, les particules de type axion et les neutrinos stériles accompagnant de rares désintégrations de hadrons. —
2 ALICE Détecteur d'interactions entre ions lourds.
Modèle:Nombre de long, Modèle:Nombre de large, Modèle:Nombre de haut. Masse : Modèle:Nombre<ref>public.web.cern.ch/Public/Welcome-fr - le LHC - ALICE.</ref>. 		L3
3 — Entretien du faisceau
4 — — ALEPH
5 CMS Solénoïde compact à muons.
Modèle:Nombre de long, Modèle:Nombre de large, Modèle:Nombre de haut. Masse : Modèle:Nombre<ref>public.web.cern.ch/Public/Welcome-fr - le LHC - CMS.</ref>. 		—
5 (de part et d'autre du CMS) TOTEM « Télescope » mesurant la section efficace entre deux protons à Modèle:Unité.
Plusieurs éléments de Modèle:Nombre de large et de haut maximum, répartis sur Modèle:Nombre. Masse totale : Modèle:Nombre<ref>public.web.cern.ch/Public/Welcome-fr - le LHC - TOTEM.</ref>,<ref>CERN documents serveur ; Modèle:Langue ; TOTEM et LHCf: peaufiner le redémarrage.</ref>. 		—
6 — Purge du faisceau OPAL
7 — Entretien du faisceau —
8 LHCb Mesures des asymétries entre matière et antimatière.
Modèle:Nombre de long, Modèle:Nombre de large, Modèle:Nombre de haut. Masse : Modèle:Nombre<ref>public.web.cern.ch/Public/Welcome-fr - le LHC - LHCb.</ref>. 		DELPHI
8 MoEDAL Recherche du monopôle magnétique <ref>Modèle:Lien web.</ref> —

L'injection des faisceaux se fait entre les Modèle:Nobr et les Modèle:Nobr (c'est-à-dire entre les détecteurs ALICE et ATLAS d'une part et LHCb et ATLAS d'autre part).


Découvertes

Deux ans après le début des expériences, des chercheurs travaillant sur ATLAS ont annoncé avoir observé pour la première fois un état du bottomonium prédit par la théorie, le Modèle:Nobr<ref>{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Tommaso Dorigo, ATLAS Discovers New Chi_b Resonance, science20.com, 24 décembre 2011.</ref>.

Fin Modèle:Date-, des chercheurs travaillant sur CMS ont annoncé sur le site de prépublication arXiv la découverte d'un nouveau baryon de type b excité, nommé Ξb*0<ref>Découverte d'une nouvelle particule au CERN, Sciences & Avenir.</ref>,<ref>Collaboration CMS, Modèle:Langue arXiv:1204.5955.</ref>.

Le Modèle:Date, le CERN annonce, lors d'une conférence<ref>Modèle:Article</ref>, avoir identifié, avec un degré de confiance de 99,99997 % (Modèle:Nombre), un nouveau boson dans un domaine de masse de l'ordre de Modèle:Unité, qui paraît compatible avec celui du boson de Higgs. L'annonce est suivie, le Modèle:Date, par la publication de deux articles dans la revue [[Physics Letters B|Modèle:Langue]]<ref>Modèle:Article</ref>,<ref>Modèle:Article</ref>. Le Modèle:Date, le CERN confirme que, selon toute vraisemblance, il s'agit bien du boson de Higgs<ref>Modèle:Lien web</ref>.

Le coût du LHC

Modèle:... Le coût de construction, en incluant les salaires, du LHC a été de Modèle:Nombre d'euros, partagé entre le CERN (60 %) et Modèle:Nombre institutions distribuées dans Modèle:Nombre<ref>Science et vie, octobre 2011, no 1129, Modèle:P., « La matière va parler ! »</ref>.

Le LHC dans l'art et la culture

Avant même sa mise en service, le LHC était présent dans quelques œuvres culturelles. Ainsi, dans son livre Anges et démons (Modèle:Langue), Dan Brown évoque le LHC.

Le LHC est au centre de l'intrigue du roman de Robert J. Sawyer, Flashforward. Dans ce livre, une expérience menée au LHC permet à toute l'Humanité d'avoir un aperçu de son avenir 20 ans plus tard pendant quelques minutes.

Le LHC fait également l'objet d'une mise en lumière dans un épisode de Modèle:Langue, est mentionné dans un épisode de la série Eurêka (dans lequel il est surpassé par un autre accélérateur), et a été évoqué dans un épisode de la sitcom Modèle:Langue ainsi que dans Modèle:Langue.

Le jeu vidéo Scribblenauts permet de faire apparaître le LHC en écrivant son nom. Le fait de l'activer fait immédiatement apparaître un trou noir, clin d'œil au phénomène médiatique ayant entouré sa mise en service.

Dans Steins;Gate, le LHC serait utilisé par le SERN (déformation du CERN) pour générer des mini trou noir afin de permettre le transfert de matière organique (des êtres humains) à travers le temps.

Decay est un film d'horreur créé en 2012 par Luke Thompson, alors étudiant britannique au CERN. L'action se déroule au sein-même du LHC. Ce film a été tourné sur le site du CERN sans son consentement. Ceux-ci n'ont toutefois pas empêché la diffusion sur Internet<ref>{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}}Modèle:Lien web</ref>,<ref>{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}}Modèle:Lien web</ref>.

Dans la série Umbrella Academy de Netflix, lors de la saison 3, en 2022, entre la 5ème et la 6ème minute de l'épisode 8, le personnage Diego, joué par David Castañeda, propose de se rendre au LHC pour que ses frères fassent de la science afin de sauver le monde. Plutôt ignorant, il se fait reprendre car il parle de "large hard-on accelerator" dans la version anglaise ou de "grand accélérateur de particules d'étrons" dans la version française. Il précise aussi que c'est en Suisse, en référence au siège du CERN, bien que 80% du LHC est en réalité en France, dans le pays de Gex.

Le Large Hadron Collider a aussi fait son entrée dans le monde musical :

  • fin juillet 2008, Katherine McAlpine, alias Alpinecat, a mis en ligne le Modèle:Langue sur Youtube<ref>La vidéo du Modèle:Langue de Catherine McAlpine.</ref>. McAlpine travaille dans le service de presse du CERN et a créé ce rap en collaboration avec des collègues. Le texte de cette œuvre, plutôt simple sur le plan musical, est une introduction ludique au mode de fonctionnement de l'instrument scientifique ;
  • une autre mise en musique de ce sujet, mais nettement plus critique, a été réalisée par le groupe Canyayeda et porte le titre « Modèle:Langue »<ref>La chanson « Modèle:Langue » de Canyayeda.</ref> ;
  • le groupe Les Horribles Cernettes fait référence au LHC à la fois dans son nom et dans le texte de ses chansons.
  • l'une des parties de l'œuvre Modèle:Langue du musicien Bernd Kistenmacher est intitulée Modèle:Langue.
  • le youtubeur anglophone acapellascience a posté une reprise de Started from a bottom appelée Started from a bottom quark dont les paroles évoquent de manière poétique les collisions ayant lieu au LHC. Le clip a pour décors les locaux du Cern.

En outre, des internautes ont fait des rapprochements physionomiques entre deux hommes que l'on peut voir dans le complexe du LHC sur deux photos différentes, avec les personnages de Gordon Freeman et du G-Man, issus de la série de jeux vidéo Modèle:Langue<ref>Les photos des hommes ressemblant à Gordon Freeman et au G-Man.</ref>. Ces rapprochements prennent sens quand on sait que Gordon Freeman est docteur en physique théorique et que le G-Man est vu à plusieurs reprises sur son lieu de travail, un complexe de recherche scientifique.

Le groupe de trash metal Megadeth a utilisé une photographie du LHC pour illustrer la pochette de son album nommé Super Collider.

L'avenir du LHC

Le Grand collisionneur de hadrons à haute luminosité

Modèle:Article détaillé Le Grand collisionneur de hadrons à haute luminosité (HL-LHC de l'anglais Modèle:Langue) est une amélioration du LHC décidée en 2010 prévue pour être opérationnelle en 2026 et devant permettre de multiplier par un facteur de 5 à 10 les collisions <ref name="flyer_fr">Modèle:Lien web</ref>.

Futur collisionneur circulaire

Modèle:Article détaillé Le Futur Collisionneur Circulaire (FCC, en anglais Modèle:Langue) est une étude de conception complète du projet qui succédera au Grand Collisionneur de hadrons (étude post-LHC) qui prévoit un nouveau tunnel long de 80 à Modèle:Unité<ref>Modèle:Lien web.</ref>,<ref>Modèle:Lien web</ref>

Notes et références

Notes

Modèle:Références

Références

Modèle:Références

Voir aussi

Modèle:Autres projets

Articles connexes

Bibliographie

Filmographie

Liens externes

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