TPE

TPE – En quoi le LHC contitue-t-il une aventure scientifique et humaine ?
Intro° : - origines de l’Univers  d’où vient l’idée du LHC
 pourquoi l’avoir construit
I. Qu’est ce que le LHC ?
II. Les enjeux du LHC
a) Les enjeux scientifiques
b) Les enjeux économiques et sociaux
III. Les recherches du LHC et leurs applicat°
a) Les projets / expériences
b) Les applicat° dans différents domaines
IV. Les retombées technologiques
Cclus° : réponse à la question + mise en perspective avec les limites du LHC + éventuellement ILC
Introduction
Le Big Bang est-il le commencement du temps, ou l'Univers existait-il avant ? Il y a moins de dix ans,
une telle question aurait eu des allures de sacrilège. Pour les cosmologistes, une telle interrogation
n'avait tout simplement pas de sens. Imaginer une époque antérieure au Big Bang, c'était comme
chercher un point au Nord du pôle Nord. Selon la théorie de la relativité d’Einstein, l’expansion de
l’Univers a forcément un début, le Big Bang. Mais selon cette théorie, l’événement se serait produit
par hasard. C’est pour cette raison que grand nombre de scientifiques se sont penchés sur une toute
nouvelle théorie qui expliquerait l’Etat de l’Univers avant le Big Bang. Selon ces recherches, l’Univers
était déjà en expansion bien avant le Big Bang et était sous forme d’une masse de quarks et de
gluons infiniment petite mais infiniment dense et chaude. Cette masse était en expansion et le Big
Bang serait seulement une accélération de cette expansion.
Le LHC a été construit dans le but de nous éclairer quand aux origines de l’Univers, et d’autres
questions que les humains se posent depuis la nuit des temps…
I. Qu’est ce que le LHC ?
- Large Hadron Collider, ou Grand Collisionneur de Hadron
- Accélérateur de particules situé au Cern (un des plus grand laboratoire scientifique du
monde) visant à découvrir les mystères de l’infiniment petit
- Frontière franco-suisse
- 27 km de long, deux tuyaux dans lesquels on envoit des faisceaux de protons dans deux sens
différents à environ 300 000 km/s jusqu’à leur collision dans un des quatre détecteurs
- Chantier qui a duré 10 ans
- 100 m sous terre
- Info détecteurs p127 S&V HS n°244
- Rivaux : Tevatron(chicago), Rhic (Brookhaven national laboratory, usa), Desy (Hambourg,
Allemagne)
- Actuellement le plus puissant Collisionneur au monde

- but de rechercher des indices de la supersymétrie, de la matière noire et de l’origine de la
masse des particules élémentaires.
- Les faisceaux se composent des paquets contenant des centaines de milliards de protons
chacun. Voyageant quasiment à la vitesse de la lumière, ils sont injectés, accélérés, et
maintenus en circulation pendant des heures, guidés par des milliers d’aimants
supraconducteurs puissants.
- Rôle des électro-aimants supraconducteurs(s&v junior n°230)
- 600 millions de collisions par seconde et les expériences scrutent déjà les données pour y
déceler les signes d’événements extrêmement rares, tels que la création du très recherché
boson de Higgs.
- L’énergie des protons (ou des ions) est transformée au moment du choc en une myriade de
particules, que les détecteurs de ces quatre expériences observent avec attention.
- Coût :difficile à calcule pour cause d’innovations, de réparation, entretien , salaire et
consommation d’énergie.
-
- 4 détecteurs : Atlas, CMS, LHC-B et Alice
Atlas :
-Autour d’un des quatre points de collisions du LHC se trouve le détecteur géant Atlas (A Toroidal
LHC ApparatuS). Haut comme un immeuble de six étages, cet appareil géant est situé à 100 mètres
sous terre. Il a pour but de découvrir des nouvelles particules élémentaires comme le boson de Higgs,
une particule vainement recherchée jusqu’à ce jour, trouver des particules supersymétriques ou
accéder à des dimensions supplémentaires de l’espace !
- On s’attend aussi à observer des phénomènes physiques nouveaux, qui dépassent cette description.
Cependant, on ne sait pas précisément quels seront ces phénomènes. Atlas a donc été conçu comme
un détecteur polyvalent qui cherche à identifier et mesurer précisément les caractéristiques (énergie,
vitesse, direction) des particules produites lors des collisions.
-Atlas est construit comme un assemblage de détecteurs qui ont chacun un rôle spécifique pour
détecter et mesurer les caractéristiques des particules et qui sont empilés selon une structure en
oignon, caractéristique des expériences installées sur un anneau de collision et consacrées à la
physique des particules. L’intégration de tous les sous-détecteurs dans l’infrastructure d’Atlas est
une tâche très difficile, compliquée par l’implantation de tous les services (câbles, fibres optiques,
tuyaux, accessibilité au personnel, sécurité…).
CMS
-A un autre point de collision se trouve le détecteur CMS (Compact Muon Solenoid). Son but est le
même qu’Alice en revanche il est moins polyvalent mais plus précis
-détecteur hors du commun est un véritable titan, long de 21,5 mètres, d’un diamètre de 15 mètres,
et d’une masse de 12 500 tonnes. Mais comme l’indique le « C » de CMS, ce détecteur est
« compact ». Il peut paraître assez gigantesque, mais tout est relatif : CMS est deux fois plus petit en
taille qu’Atlas... pour un poids deux fois plus élevé !
Il possède le supraconducteur cylindrique le plus grand et le plus puissant jamais construit. Le champ
magnétique, d’une intensité exceptionnelle dévie les particules chargées.
Un trajectographe en silicium placé au centre du détecteur localise le passage des particules et en
mesure la courbure et la quantité de mouvement.

-La signature, la position et l’énergie des particules sont analysées par un appareillage extrêmement
massif et précis : Le calorimètre électromagnétique, constitué de près de 80 000 cristaux de
tungstate de plomb, conçu pour mesurer l’énergie des photons, électrons ou positons. Un dispositif
d’une grande finesse, le processeur de lecture sélective, fait un premier traitement des données en
les associant aux informations de déclenchement et le calorimètre hadronique, placé autour du
précédent, et destiné à mesurer l’énergie des hadrons (protons, pions, kaons).
-CMS est la seule expérience du LHC où les éléments ont assemblés et testés dans un hall de surface
avant d’être descendus dans la caverne de l’expérience, en 5 blocs hyper massifs. Le plus lourd pèse
1 920 tonnes, soit l’équivalent de cinq avions gros porteurs. Une fois l’assemblage terminé, les
éléments ont été déplacés grâce à un système de coussin d’air, et pour la descente on a utilisé le
même type de grue qui a servi à assembler l’Airbus A380.
- Le détecteur de CMS doit relever un double défi qui exige une technologie de pointe : reconnaître
avec exactitude et finesse chaque type de particule produite et sélectionner les événements
intéressants.
Pour mesurer l’énergie des particules, le champ magnétique créé doit être d’autant plus puissant que
les particules à mesurer sont énergétiques. C’est pourquoi CMS a conçu un aimant aussi puissant, lui
permettant une très bonne qualité de mesure de toutes les particules.
Alice
-Il y a aussi sur un autre point de collision se trouve le détecteur Alice (A Large Ion Collider
Experiment). Il a pour objectif d’étudier la matière nucléaire dans un état extrême de température et
de densité, la « soupe » de quarks et de gluons qui aurait existé, quelques microsecondes après le Big
Bang. Alice pourra apporter des éclairages nouveaux sur les questions fondamentales telles que
l’organisation ultime de la matière soumise à l’interaction forte et l’état de la matière dans les
premiers instants de l’Univers.
-Pour reproduire la soupe primordiale de quarks et de gluons, il faut pouvoir chauffer la matière
jusqu’à une température 100 000 fois plus grande que celle qui règne au centre du soleil et la
comprimer en exerçant une pression équivalente à 100 fois le poids de la Terre sur une tête
d’épingle ! Ces conditions ne peuvent être remplies qu’en accélérant des ions à la place des protons
dans le LHC. Les collisions de noyaux de plomb qui se produiront au centre d’Alice atteindront des
énergies colossales : un ion de plomb comportant 82 protons, l’énergie mise en jeu dans les collisions
est 82 fois plus grande que dans les collions proton-proton !
-Le détecteur Alice est constitué de plusieurs systèmes de détection plongés dans un champ
magnétique produit par un imposant électroaimant cylindrique. Un spectromètre de muons
complète l’expérience. Alice utilise la quasi-totalité des techniques connues pour la détection des
particules.
-Certains événements peuvent contenir des dizaines de milliers de traces. Ainsi, une grande
segmentation des détecteurs est nécessaire ainsi qu’une très grande puissance de calcul pour leur
reconstruction des particules. Les flux de données produits par l’expérience Alice seront les plus
importants de toutes les expériences LHC. Alice va produire environ 12 DVD de données par minute !
Une grille de calcul mondiale conçue pour le LHC permettra de gérer et de traiter ces données.
LHC-B

-Et enfin se trouve le détecteur LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment). Il étudie
l’asymétrie matière ( l’antimatière) en traquant spécifiquement les particules contenant un quark b,
appelé "beauté". L’objectif ultime est de mieux comprendre pourquoi l’Univers est constitué
exclusivement de matière, alors qu’à sa naissance matière et antimatière étaient présentes à parts
égales.
-Contrairement aux grands détecteurs polyvalents Atlas et CMS, LHCb est un outil spécialisé, destiné
à réaliser la meilleure détection possible des particules « belles » (contenant un quark b) et de leurs
produits de désintégration. Ces particules étant émises, lors des collisions des faisceaux,
préférentiellement dans des directions voisines du faisceau, le détecteur LHCb est spécialement
conçu pour les observer à « petit angle ». Il est disposé autour du tube à vide de l’accélérateur, dans
une seule direction par rapport au croisement des faisceaux. LHCb s’est doté d’un dispositif très
performant capable de comparer la matière et l’anti-matière avec une précision inégalée.
-Les particules dites de « beauté » ont une durée de vie importante à l’échelle des particules : elles
vont parcourir quelques millimètres avant de se désintégrer. L’expérience LHCb se distingue par sa
capacité à reconstruire très précisément l’endroit où ces particules se désintègrent grâce à un
détecteur appelé VELO (VErtex LOcator) installé au voisinage du point de collision. A 1,6 cm du
faisceau, c’est le sous-détecteur le plus près des collisions de tout le LHC !
-Au LHC, les particules issues des collisions de protons ont une vitesse considérable. Lorsqu’elles
traversent un liquide ou un gaz dense, elles émettent de la lumière. Les miroirs en carbone du
RICH réfléchissent cette lumière vers des capteurs qui permettront d’identifier les particules.
-. L’appareillage doit résister aux doses de radiations générées par les collisions de protons
extrêmement énergétiques, le choix des matériaux est donc crucial. L’ensemble des sous-détecteurs
de LHCb participe à une logique de décision complexe qui, toutes les 25 nanosecondes, sélectionne
les collisions intéressantes. Une ferme de microprocesseurs permet ensuite d’analyser toutes les
informations du détecteur en temps réel, afin de reconnaître les événements intéressants sur des
temps de réaction très courts.
II. Les enjeux du LHC
III. Les recherches du LHC et leurs applications
1. Les expériences
Différentes expériences réalisées avec le LHC
-ACE Des antiprotons pour lutter contre les cellules cancéreuses
-AEGIS utilise un faisceau d’antihydrogène pour mesurer l’effet de la gravitation terrestre sur
l’antimatière
Le but scientifique premier de l'expérience AEGIS (Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry,
Spectroscopy) est de mesurer directement l'accélération de l'antihydrogène due à la gravitation
terrestre (g).

AEGIS est une collaboration rassemblant des physiciens de toute l'Europe. Lors de la première phase
de l’expérience, les membres de l’équipe d’AEGIS utilisent des antiprotons du Décélérateur
d’antiprotons pour produire un faisceau d’atomes d’antihydrogène. Ils envoient ensuite ce faisceau
d'antihydrogène dans un dispositif appelé déflectomètre de moiré qui, associé à un détecteur de
position, leur permet de mesurer l'ampleur de l'interaction gravitationnelle entre la matière et
l'antimatière avec une précision de 1 %.
Le déflectomètre est doté d'un système de grilles qui divise le faisceau d'antihydrogène en faisceaux
parallèles, créant ainsi une structure périodique. À partir de cette structure, les physiciens peuvent
mesurer la déflexion du faisceau d'antihydrogène au cours de son vol horizontal. En combinant cette
mesure avec le temps de vol de chaque atome, l'équipe d'AEGIS peut alors déterminer la force
gravitationnelle qui s’exerce entre la Terre et les atomes d'antihydrogène.
L'expérience AEGIS apportera la première mesure directe d'un effet gravitationnel sur un système
d'antimatière.
-ALICE étudie le plasma de quarks et de gluons, un état de la matière qui aurait existé juste après le
Big Bang
-ALPHA a pour objet de capturer et étudier des atomes d'antihydrogène et de les comparer aux
atomes d'hydrogène
-AMS Le Spectromètre magnétique alpha, arrimé à la Station spatiale internationale, recherche la
matière noire, l’antimatière et la matière manquante
-ASACUSA L'éxperience ASACUSA compare la matière avec l'antimatière en créent des atomes
hybrides comme « l’hélium antiprotonique »
-ATLAS depuis une caverne située à 100 mètres sous terre, le détecteur ATLAS, qui pèse 7000 tonnes,
sonde les particules fondamentales