QU'EST-CE QUE L'ACCéLéRATEUR DE PARTICULES DU CERN?

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Et s'il était possible d'observer les blocs de construction fondamentaux sur lesquels l'Univers est basé? Pas de problème! Tout ce dont vous avez besoin est un accélérateur de particules massif, une installation souterraine suffisamment grande pour traverser une frontière entre deux pays, et la capacité d'accélérer les particules au point où elles s'annihilent mutuellement - libérant de l'énergie et de la masse que vous pourrez ensuite observer avec une série de moniteurs spéciaux.

Eh bien, comme par hasard, une telle installation existe déjà et est connue sous le nom de CERN Large Hardron Collider (LHC), également connu sous le nom d'accélérateur de particules du CERN. Mesurant environ 27 kilomètres de circonférence et situé profondément sous la surface près de Genève, en Suisse, il est le plus grand accélérateur de particules au monde. Et depuis que le CERN a actionné l'interrupteur, le LHC a jeté une lumière sérieuse sur certains mystères plus profonds de l'Univers.

Objectif:

Les collisionneurs, par définition, sont un type d'accélérateur de particules qui repose sur deux faisceaux dirigés de particules. Les particules sont accélérées dans ces instruments à des énergies cinétiques très élevées, puis mises en collision les unes avec les autres. Les sous-produits de ces collisions sont ensuite analysés par les scientifiques afin de déterminer la structure du monde subatomique et les lois qui le régissent.

Le but des collisionneurs est de simuler le type de collisions à haute énergie pour produire des sous-produits de particules qui autrement n'existeraient pas dans la nature. De plus, ces sortes de sous-produits de particules se désintègrent après une très courte période de temps et sont donc difficiles ou presque impossibles à étudier dans des conditions normales.

Le terme hadron fait référence à des particules composites composées de quarks qui sont maintenus ensemble par la force nucléaire forte, l'une des quatre forces régissant l'interaction des particules (les autres étant la force nucléaire faible, l'électromagnétisme et la gravité). Les hadrons les plus connus sont les baryons - protons et neutrons - mais comprennent également les mésons et les particules instables composées d'un quark et d'un antiquark.

Conception:

Le LHC fonctionne en accélérant deux faisceaux de «hadrons» - soit des protons, soit des ions plomb - dans des directions opposées autour de son appareil circulaire. Les hadrons entrent en collision après avoir atteint des niveaux d'énergie très élevés, et les particules résultantes sont analysées et étudiées. Il s'agit du plus grand accélérateur à haute énergie au monde, mesurant 27 km (17 mi) de circonférence et à une profondeur de 50 à 175 m (164 à 574 pi).

Le tunnel qui abrite le collisionneur mesure 3,8 mètres (12 pieds) de largeur et était auparavant utilisé pour abriter le Grand collisionneur électron-positon (qui a fonctionné entre 1989 et 2000). Ce tunnel contient deux lignes de faisceau parallèles adjacentes qui se coupent en quatre points, chacune contenant un faisceau qui se déplace dans des directions opposées autour de l'anneau. Le faisceau est contrôlé par 1 232 aimants dipôles tandis que 392 aimants quadripolaires sont utilisés pour maintenir la focalisation des faisceaux.

Environ 10000 aimants supraconducteurs sont utilisés au total, qui sont maintenus à une température de fonctionnement de -271,25 ° C (-456,25 ° F) - ce qui est juste timide de zéro absolu - par environ 96 tonnes d'hélium-4 liquide. Cela fait également du LHC la plus grande installation cryogénique au monde.

Lors de collisions de protons, le processus commence par l'accélérateur linéaire de particules (LINAC 2). Une fois que le LINAC 2 a augmenté l'énergie des protons, ces particules sont ensuite injectées dans le propulseur synchrotron à protons (PSB), qui les accélère à des vitesses élevées.

Ils sont ensuite injectés dans le Synchrotron à protons (PS), puis dans le Super Proton Synchrtron (SPS), où ils sont accélérés encore plus avant d'être injectés dans l'accélérateur principal. Une fois sur place, les grappes de protons sont accumulées et accélérées à leur énergie maximale sur une période de 20 minutes. Enfin, ils sont diffusés pendant une période de 5 à 24 heures, pendant laquelle des collisions se produisent aux quatre points d'intersection.

Pendant les périodes de fonctionnement plus courtes, les collisions d'ions lourds (généralement des ions plomb) sont incluses dans le programme. Les ions plomb sont d'abord accélérés par l'accélérateur linéaire LINAC 3, et l'anneau ionique basse énergie (LEIR) est utilisé comme unité de stockage et de refroidissement des ions. Les ions sont ensuite encore accélérés par le PS et le SPS avant d'être injectés dans l'anneau du LHC.

Pendant que les protons et les ions plomb entrent en collision, sept détecteurs sont utilisés pour rechercher leurs sous-produits. Il s'agit notamment de l'expérience A Toroidal LHC ApparatuS (ATLAS) et du Compact Muon Solenoid (CMS), qui sont tous deux des détecteurs à usage général conçus pour voir de nombreux types de particules subatomiques.

Ensuite, il y a les détecteurs plus spécifiques A Large Ion Collider Experiment (ALICE) et Large Hadron Collider Beauty (LHCb). Alors qu'ALICE est un détecteur d'ions lourds qui étudie la matière en interaction forte à des densités énergétiques extrêmes, le LHCb enregistre la désintégration des particules et tente de filtrer les quarks b et anti-b des produits de leur désintégration.

Ensuite, il y a les trois petits détecteurs hautement spécialisés - l'expérience TOTal Elastic and diffractive Cross Section Measurement (TOTEM), qui mesure la section efficace totale, la diffusion élastique et les processus diffractifs; le détecteur monopôle et exotique (MoEDAL), qui recherche les monopôles magnétiques ou les particules chargées massives (pseudo-) stables; et le grand collisionneur de hadrons vers l'avant (LHCf) qui surveille les astroparticules (alias les rayons cosmiques).

Historique de fonctionnement:

Le CERN, qui signifie Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (ou Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire en Anglais) a été créé le 29 septembre 1954 par douze nations signataires d'Europe occidentale. Le principal objectif du conseil était de superviser la création d'un laboratoire de physique des particules à Genève où des études nucléaires seraient menées.

Peu de temps après sa création, le laboratoire est allé au-delà de cela et a également entrepris des recherches en physique des hautes énergies. Il a également grandi pour inclure vingt États membres européens: France, Suisse, Allemagne, Belgique, Pays-Bas, Danemark, Norvège, Suède, Finlande, Espagne, Portugal, Grèce, Italie, Royaume-Uni, Pologne, Hongrie, République tchèque, Slovaquie , La Bulgarie et Israël.

La construction du LHC a été approuvée en 1995 et devait initialement être achevée en 2005. Cependant, des dépassements de coûts, des coupes budgétaires et diverses difficultés d'ingénierie ont repoussé la date d'achèvement à avril 2007. Le LHC a été mis en ligne pour la première fois le 10 septembre 2008, mais les tests initiaux ont été retardés de 14 mois à la suite d'un accident qui a causé des dommages importants à de nombreux composants clés du collisionneur (tels que les aimants supraconducteurs).

Le 20 novembre 2009, le LHC a été remis en ligne et son premier cycle s'est déroulé de 2010 à 2013. Au cours de ce cycle, il est entré en collision avec deux faisceaux de particules opposés de protons et de noyaux de plomb à des énergies de 4 téraélectronvolts (4 TeV) et 2,76 TeV par nucléon, respectivement. Le principal objectif du LHC est de recréer les conditions juste après le Big Bang lorsque des collisions entre des particules de haute énergie avaient lieu.

Découvertes majeures:

Au cours de sa première exécution, les découvertes du LHC ont inclus une particule considérée comme le boson de Higgs recherché depuis longtemps, qui a été annoncée le 4 juillet 2012. Cette particule, qui donne la masse d'autres particules, est un élément clé du modèle standard de physique . En raison de sa masse élevée et de sa nature insaisissable, l'existence de cette particule était basée uniquement sur la théorie et n'avait jamais été observée auparavant.

La découverte du boson de Higgs et le fonctionnement en cours du LHC ont également permis aux chercheurs d'étudier la physique au-delà du modèle standard. Cela a inclus des tests concernant la théorie de la supersymétrie. Les résultats montrent que certains types de désintégration des particules sont moins courants que certaines formes de supersymétrie prédisent, mais pourraient toujours correspondre aux prédictions d'autres versions de la théorie de la supersymétrie.

En mai 2011, il a été signalé que du plasma de quarks et de gluons (théoriquement, la matière la plus dense en dehors des trous noirs) avait été créé dans le LHC. Le 19 novembre 2014, l'expérience LHCb a annoncé la découverte de deux nouvelles particules subatomiques lourdes, toutes deux des baryons composés d'un fond, d'un en bas et d'un étrange quark. La collaboration LHCb a également observé plusieurs hadrons exotiques au cours de la première série, peut-être des pentaquarks ou des tétraquarks.

Depuis 2015, le LHC mène sa deuxième course. Pendant ce temps, il s'est consacré à confirmer la détection du boson de Higgs et à approfondir la théorie de la supersymétrie et l'existence de particules exotiques à des niveaux d'énergie plus élevés.

Au cours des prochaines années, le LHC devrait effectuer une série de mises à niveau afin de s'assurer qu'il ne souffre pas de rendements réduits. En 2017-2018, le LHC devrait subir une mise à niveau qui portera son énergie de collision à 14 TeV. En outre, après 2022, le détecteur ATLAS doit recevoir une mise à niveau conçue pour augmenter la probabilité qu'il détecte des processus rares, connus sous le nom de LHC à haute luminosité.

L'effort de recherche en collaboration connu sous le nom de LHC Accelerator Research Program (LARP) mène actuellement des recherches sur la façon de moderniser davantage le LHC. Parmi ceux-ci, les plus importants sont l'augmentation du courant de faisceau et la modification des deux régions d'interaction à haute luminosité et des détecteurs ATLAS et CMS.

Qui sait ce que le LHC découvrira d'ici le jour où il coupera enfin l'alimentation? Avec de la chance, il éclairera davantage les mystères plus profonds de l'Univers, qui pourraient inclure la structure profonde de l'espace et du temps, l'intersection de la mécanique quantique et de la relativité générale, la relation entre la matière et l'antimatière, et l'existence de «Dark Matter» ".

Nous avons écrit de nombreux articles sur le CERN et le LHC pour Space Magazine. Voici ce qu'est le boson de Higgs?, La machine Hype se dégonfle après que les données du CERN ne montrent plus aucune nouvelle particule, BICEP2 à nouveau? Les chercheurs placent la découverte du boson de Higgs dans le doute, deux nouvelles particules subatomiques trouvées, une nouvelle particule est-elle sur le point d'être annoncée ?, les physiciens pourraient peut-être, juste peut-être, confirmer la découverte possible de la 5e force de la nature.

Si vous souhaitez plus d'informations sur le Grand collisionneur de hadrons, consultez la page d'accueil du LHC et voici un lien vers le site Web du CERN.

Astronomy Cast a également quelques épisodes sur le sujet. Écoutez ici, Épisode 69: Le grand collisionneur de hadrons et La recherche du boson de Higgs et Épisode 392: Le modèle standard - Intro.

Sources: