LHC: le nouvel accélérateur du CERN

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Date : 16 juin 2008

L’accélérateur de particules le plus puissant au monde

Connaître la composition de la matière à l’échelle de l’infiniment petit ou les instants primordiaux de notre univers, tels sont les enjeux de l’accélérateur de particules actuellement en construction au CERN près de Genève, à 100 m sous terre. Après dix ans de travaux, le Grand collisionneur de hadrons (ou LHC pour Large Hadron Collider) sera bientôt prêt à accueillir des chercheurs de la terre entière pour réaliser des expériences qui permettront sans doute de révolutionner notre compréhension de la nature. Ce dispositif d’une grande complexité , qui a coûté 3 milliards d’euros, s’étend le long d’une boucle souterraine de 27 km de circonférence, dans laquelle des protons (ou des ions dans certains cas) voyageront à une vitesse proche de celle de la lumière. C’est du choc frontal de ces particules, dégageant une énergie faramineuse, que pourront émerger les réponses à bon nombre de questions : d’où vient la masse des particules, pourquoi l’antimatière a-t-elle disparu, quelles étaient les particules présentes dans l’univers primordial ? … et autant de découvertes inattendues pour une nouvelle ère de la physique.

Coupe du LHC

Le LHC : pour quoi faire ?

Quand la théorie précède l’expérience

L’obstination des hommes à vouloir comprendre et décrire la nature ne date pas d’hier. Déjà, à l’Antiquité, le philosophe grec Démocrite imaginait la notion de particule élémentaire, une minuscule structure indivisible à l’origine de toute matière. Faute de pouvoir tester cette hypothèse par l’observation directe, de longs siècles d’attente ont été nécessaires avant la mise au point d’instruments suffisamment performants pour pallier les limites de nos cinq sens et plonger au coeur de l’atome. La science de l’infiniment petit, contrairement à d’autres pans de la physique comme la mécanique, a donc vu émerger des théories spéculatives, souvent associées à des considérations philosophiques, et qui ne pouvaient pas être vérifiées par l’expérience. C’est au XXème siècle que tout bascule avec l’avènement de la physique quantique et la construction des premiers accélérateurs de particules.

Le Graal des physiciens

Aujourd’hui, la thèse qui prévaut au sein de la communauté scientifique consiste à décrire la matière comme un édifice de briques (les fermions) et de médiateurs de forces assimilables à du ciment (les bosons) construit selon un modèle « standard » décrivant toutes les interactions fondamentales à l’échelle microscopique. Les fermions sont donc liés entre eux par des forces gigantesques véhiculées par les bosons. Par la collision frontale de deux éléments lancés à grande vitesse, un accélérateur de particules est capable d’apporter suffisamment d’énergie pour mettre la matière en miettes et détecter ainsi les particules ultimes. Un des grands défis du LHC sera de mettre en évidence une particule présupposée, le boson de Higgs , clé de voûte du modèle standard. De nombreux scientifiques attendent avec enthousiasme et fébrilité la découverte de ce fameux boson. Si le LHC ne parvient pas à le trouver, ou identifie d’autres particules inattendues, le visage de la physique contemporaine pourrait s’en trouver bouleversé.

Les questions sur l’infiniment petit rejoignent celles sur l’infiniment lointain

La recherche du boson de Higgs n’est pas la seule vocation du LHC. La matière qui nous entoure ne constitue qu’une petite partie de l’univers, 4 % seulement. Le nouvel accélérateur donnera peut-être des réponses sur la composition de la matière noire et de l’énergie sombre supposées remplir pas moins de 96 % du cosmos ! En outre, le LHC aura pour mission de reproduire les conditions primordiales de l’univers, soit les instants qui ont succédé au Big Bang il y a environ 15 milliards d’années. Les chercheurs espèrent trouver des particules inédites, qui n’existent plus aujourd’hui, et comprendre pourquoi l’antimatière, la soeur jumelle de la matière alors créée en même quantité, a presque totalement disparu. Autre rôle du LHC : chercher des indices pour valider une théorie concurrente au modèle standard, baptisée théorie des cordes, qui postule l’existence de six dimensions spatiales supplémentaires aux trois que nous connaissons déjà.

vue générale LHC

Un dispositif gigantesque pour pister de toutes petites particules

La conception du LHC remonte aux années 1980, mais il a fallu attendre 14 ans avant que sa construction soit approuvée par le conseil du CERN. Les travaux, démarrés en 1998, ont consisté à creuser une série de cavités pour accueillir les détecteurs, des instruments d’une précision inégalée destinés à suivre à la trace les produits de la collision frontale de deux faisceaux de protons. Inutile de construire l’anneau de 27 km où circuleront ces protons, il existe déjà. En effet, le LHC utilisera la boucle du LEP (Large Electron Positron), un accélérateur d’une génération antérieure avec lequel les scientifiques ont fait de belles découvertes. En particulier, des collisions entre électrons et positons ont permis d’y observer pour la première fois en 1983 les bosons W et Z, deux particules prévues par le modèle standard. L’énergie atteinte dans cet accélérateur d’ancienne génération était toutefois plus de 30 fois inférieure à celle des protons qui parcourront le LHC, ce qui s’avère insuffisant pour détecter le boson de Higgs.

Des boucles accélératrices de plus en plus grandes

Avant d’être injectés dans le LHC, les protons subiront une accélération progressive dans des boucles de plus en plus longues. La première, appelée booster, augmentera l’énergie des particules jusqu’à 1,4 GeV*. Les protons seront ensuite injectés dans deux synchrotrons successifs, portant leur énergie à 25, puis à 450 GeV. Ils seront alors prêts pour subir l’accélération ultime dans la dernière boucle, celle du LHC proprement dite, longue de 27 km! Leur vitesse se rapprochera alors de celle de la lumière, soit 299 800 km/sec, correspondant à une énergie de 7 TeV**. Lors de la collision frontale de deux protons, l’énergie dégagée atteindra ainsi 14 TeV, un record mondial. La prouesse ne sera pas tant de parvenir à une énergie aussi élevée (un moustique en plein vol véhicule une énergie de 1 TeV …), mais de la concentrer dans un espace aussi réduit (à un million de million de fois plus petit qu’un moustique !).
* 1 GeV= 10⁹ eV (electron-volt)= 1,6 10^-10 joule
** 1 TeV= 1000 GeV

Des aimants pour focaliser les faisceaux

Les deux faisceaux de protons destinés à entrer en collision circuleront en sens opposé dans des tubes distincts placés sous un vide très poussé. Ils seront guidés sur leur trajectoire circulaire par un champ magnétique puissant (jusqu’à 9 teslas), généré par des électroaimants refroidis à -271 °C de façon à atteindre à l’état supraconducteur pour lequel l’électricité circule sans aucune perte d’énergie. 1234 aimants dipolaires, longs de 15 m, courberont la trajectoire des faisceaux et 392 aimants quadripolaires, long de 5 à 7 m, concentreront les faisceaux. Tout est fait pour augmenter la probabilité d’une collision. Et la précision est de mise. En effet, la taille des particules est très faible, comparée à la longueur de l’anneau. Imaginez, il est aussi difficile de faire entrer en collision deux protons dans le LHC que de lancer deux aiguilles éloignées de 10 km, l’une contre l’autre !

Des détecteurs ultra sensibles

Des détecteurs d’une technicité inégalée, placés dans des cavités le long de la boucle à chaque point de croisement des deux faisceaux, enregistreront les données utiles aux physiciens, c’est à dire la trajectoire des particules créées après la collision, leur nature et leur masse. Dotés de systèmes électroniques mesurant le temps de passage d’un élément à quelques milliardièmes de seconde près, ces instruments gigantesques (22 m de diamètre pour ATLAS) suivront les particules à la trace avec une précision de l’ordre du millionième de mètre. Ils enregistreront un million d’évènements par seconde.

Six détecteurs sont installés au LHC :
• ALICE (lien : http://public.web.cern.ch/Public/fr/LHC/ALICE-fr.html)
Objectifs : collisions d’ions de plomb pour rechercher des particules nées du Big Bang mais disparues aujourd’hui.
• ATLAS : (lien : http://public.web.cern.ch/Public/fr/LHC/ATLAS-fr.html)
Objectifs : détection du boson de Higgs, recherche de particules supersymétiques (matière noire), de nouvelles dimensions spatiales.
L’assemblage d’ATLAS s’est terminé au début du mois de mars 2008 (lien : http://www.science.gouv.fr/index.php?qcms=article,view,2802,marquant,159,7,,,,)
• CMS (lien : http://public.web.cern.ch/Public/fr/LHC/CMS-fr.html)
Objectifs : les mêmes que ceux d’ATLAS (mais la conception du détecteur et les instruments diffèrent).
• LHCb (lien : http://public.web.cern.ch/Public/fr/LHC/LHCb-fr.html)
Objectif : exploration des différences entre matière et antimatière.
• LHCf (lien : http://public.web.cern.ch/Public/fr/LHC/LHCf-fr.html)
Objectif : étude des rayons cosmiques.
• TOTEM (lien : http://public.web.cern.ch/Public/fr/LHC/TOTEM-fr.html)
Objectif : mesure de la taille des protons et de la luminosité du LHC.

Zoom sur le plus grand défi du LHC

Boson de Higgs : la course contre la montre

La recherche du boson de Higgs sera sans conteste le sujet le plus brûlant du LHC. Il ne s’agit pas moins que de trouver la preuve ultime de la validité du modèle standard, l’enjeu est donc de taille ! Cette particule a été imaginée en 1964 par le physicien écossais Peter Higgs pour compléter l’édifice du modèle standard qui était alors encore un peu bancal. Cette dernière pièce du puzzle bouclait ainsi la construction théorique du modèle.
Le rôle du boson de Higgs, s’il existe, est de donner une masse à toutes les particules élémentaires. Jusqu’à présent, aucun accélérateur n’a été assez sensible pour le détecter. L’ancêtre du LHC au CERN, le LEP, n’est pourtant pas passé bien loin. Il y a dix ans, un signal pouvant correspondre à la signature de cette particule était enregistré. Mais ce résultat, incomplet, demandait à être reproduit pour acquérir une statistique suffisante. Après le démantèlement du LEP, les chercheurs américains de l’accélérateur Tevatron au Fermilab (près de Chicago) ont repris le flambeau. Bien que l’énergie des collisions dans ces installations (1,8 TeV) soit loin d’égaliser celle prévue au LHC (14 TeV), les expériences du Tevatron sont opérationnelles et fournissent actuellement des données en continu pour la recherche de ce boson mystérieux. Comme le souligne Michel Davier, professeur à l’université Paris-Sud 11 et membre de l’Académie des sciences, même si le LHC sera une bien meilleure source de bosons de Higgs, il se pourrait que les Américains dament le pion aux Européens en découvrant in extremis cette particule avant la mise en service du LHC. La course est donc lancée.

Pour en savoir plus
• CERN (lien : http://public.web.cern.ch/public/Welcome-fr.html)
• Historique et agenda du LHC : (lien : http://lhc-milestones.web.cern.ch/LHC-Milestones/)
• Glossaire du CERN (lien : http://public.web.cern.ch/Public/fr/Science/Glossary-fr.php#E)
• Conférence en ligne sur le LHC de la Cité des sciences et de l’industrie (lien :http://www.cite-sciences.fr/francais/ala_cite/college/v2/html/2007_2008/cycles/cycle_256.htm)

Découvrez également le site du LHC FRANCE

Le site lhc-france.fr du CNRS et du CEA est le premier site francophone entièrement dédié au projet LHC du Cern. Tous les aspects de cette réalisation titanesque y sont évoqués à travers des animations, videos et photos: les enjeux scientifiques, les défis de l’accélérateur, les détecteurs, la grille de calcul, l’aventure humaine et la place importante de la France dans cette entreprise planétaire. Ce site rend également compte de la participation du CNRS et du CEA au projet. Retrouvez les actualités du LHC et tous les mois, la BD du LHC, chronique dessinée par Lison Bernet.
http://www.lhc-france.fr/

Le LHC en chiffres

• Un anneau de 26 659 m de circonférence enterré à une profondeur comprise entre 50 et 175 m (100 m en moyenne).
• Vitesse des protons : 99,9999991 % de la vitesse de la lumière ; chaque particule effectuera plus de 11 000 tours par seconde dans l’anneau !
• Collisions frontales de 14 TeV.
• Pression interne de 10 ^-13 atm (ultravide), soit dix fois moins que sur la lune.
• 9300 aimants refroidis à -271.3 °C par 60 tonnes d’hélium liquide ; le système d’aimantation contient 10 000 tonnes de fer, soit plus que pour la tour Eiffel.
• 400 lentilles magnétiques pour focaliser les faisceaux
• Les données de chaque expérience pourraient remplir 100 000 DVD chaque année.
• Durée de vie du LHC : environ 15 ans.

Atlas