Le CERN, l`Organisation européenne pour la recherche nucléaire

Le CERN, l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, est l’un des plus
grands et des plus prestigieux laboratoires scientifiques du monde.
Fondé en 1954, le CERN est situé de part et d’autre de la frontière franco-suisse, près
de Genève.
Le CERN a pour vocation la physique fondamentale, la découverte des constituants et des
lois de l’Univers.
Aujourd’hui, notre compréhension de la matière va au-delà du noyau, et le principal
domaine de recherche du CERN est la physique des particules, à savoir l'étude des
composants fondamentaux de la matière ainsi que des forces auxquelles ils sont
soumis.
En étudiant ce qui se passe lorsque ces particules entrent en collision, les physiciens
appréhendent les lois de la Nature.
Les instruments qu’utilise le CERN sont des accélérateurs et des détecteurs de
particules.
Les accélérateurs portent des faisceaux de particules à des énergies élevées pour les
faire entrer en collision avec d'autres faisceaux ou avec des cibles fixes.
Les détecteurs, eux, observent et enregistrent le résultat de ces collisions.
1
Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) est un gigantesque instrument scientifique
situé près de Genève, à cheval sur la frontière franco-suisse, à environ 100 mètres
sous terre.
C’est un accélérateur de particules, avec lequel les physiciens vont étudier les plus
petites particules connues : les composants fondamentaux de la matière.
Le LHC, l’accélérateur de particules le plus grand et le plus puissant du monde, est le dernier
maillon du complexe d’accélérateurs du CERN.
Il consiste en un anneau de 27 km de circonférence formé d’aimants supraconducteurs et de
structures accélératrices qui augmentent l’énergie des particules qui y circulent.
Intérieur du tunnel du LHC
2
Deux faisceaux de particules subatomiques de la famille des « hadrons » (des protons
ou des ions de plomb) circulent en sens inverse à l’intérieur de l’accélérateur
circulaire, emmagasinant de l’énergie à chaque tour.
Les faisceaux circulent en sens opposé, dans des tubes distincts placés sous un vide
très poussé (ultravide). Ils sont guidés le long de l’anneau de l’accélérateur par un
puissant champ magnétique, généré par des électroaimants supraconducteurs (c’està-dire conduisant l’électricité sans résistance ni perte d’énergie).
Pour cela, les aimants doivent être refroidis à -271°C
Coupe d’un « Dipôle LHC »
Les 2 tubes faisceaux où les particules circulent en sens opposé sont entourés d’un aimant
dipolaire permettant de courber la trajectoire.
Modèle d’un aimant dipolaire supraconducteur
3
Une fois dans le LHC, les protons circuleront pendant vingt minutes avant d’atteindre
l’énergie et la vitesse maximales.
Juste avant la collision, un autre type d’aimant est utilisé pour “coller” les particules
les unes aux autres, de façon à augmenter les probabilités d’une collision.
En effet, les probabilités de collision de 2 particules est très petite.
En faisant entrer en collision frontale les deux faisceaux à une vitesse proche de celle
de la lumière et à de très hautes énergies, le LHC va recréer les conditions qui
existaient juste après le Big Bang.
Des équipes de physiciens du monde entier analysent les particules issues de ces
collisions en utilisant des détecteurs spéciaux.
Intérieur du détecteur Atlas
Les expériences du LHC vont tenter de répondre à des questions fondamentales :
Comment les particules acquièrent-elles leur masse ?
De quoi sont constitués les 96% de l’Univers invisible ?
Pourquoi la Nature préfère-t-elle la matière au détriment de l’antimatière ?
Comment la matière a-t-elle évolué au tout début de l’existence de l’Univers ?
4
Les protons sont produits à partir d’atomes d’hydrogène dont on extrait les
électrons.
Les protons commencent leur parcours dans l’accélérateur linéaire (LINAC), puis sont
injectés tour à tour dans le Synchrotron injecteur du PS (PS Booster - PSB), le
Synchrotron à Protons (PS) et le Supersynchrotron à protons (SPS), avant d’arriver au
Grand collisionneur de hadrons (LHC).
Une fois dans le LHC, les protons circuleront pendant vingt minutes avant d’atteindre
l’énergie et la vitesse maximales.
5
I) ALICE (A Large Ion Collider Experiment) :
Pour l’expérience ALICE, le LHC fera entrer en collision des ions plomb afin de recréer
en laboratoire les conditions qui régnaient juste après le Big Bang.
Les données obtenues permettront d’étudier l’évolution de la matière de la
naissance de l’Univers à nos jours.
Les collisions qui se produiront dans le LHC généreront des températures de plus de
100 000 fois supérieures à celles qui règnent au centre du Soleil. Les physiciens
espèrent ainsi que les protons et les neutrons « fondront », libérant les quarks de
l’emprise des gluons et créant un état de la matière appelé plasma de quarks et de
gluons.
Cet état a probablement existé juste après le Big Bang, lorsque l'Univers était encore
extrêmement chaud. Les particules que l’on trouve aujourd’hui en abondance dans
l’Univers – les protons et les neutrons »– se seraient formées dans ce plasma.
Détecteur ALICE
6
II) ATLAS :
ATLAS est l’un des deux détecteurs polyvalents du LHC. Il explore un large éventail de
domaines de la physique, de la recherche du boson de Higgs à celle d’autres
dimensions, en passant par la quête des particules qui pourraient constituer la
matière noire.
Détecteur ATLAS
ATLAS enregistre des séries de mesures sur les particules créées dans des collisions,
déterminant leur trajectoire, leur énergie et leur identité.
ATLAS est le plus grand détecteur jamais construit.
III) CMS : Compact Muon Solenoid (Solénoïde compact pour muons)
L’expérience CMS utilise un détecteur polyvalent pour explorer un large éventail de
domaines de la physique, de la recherche du boson de Higgs à celle d’autres
dimensions, en passant par la quête des particules qui pourraient constituer la
matière noire.
Bien qu’elle poursuive les mêmes buts scientifiques que l’expérience ATLAS, la
collaboration CMS a opté pour d’autres solutions techniques et un système
magnétique de conception différente.
Le détecteur CMS
7
IV) LHCb (Large Hadron Collider beauty) :
L’expérience LHCb cherche à comprendre pourquoi nous vivons dans un Univers qui
semble être constitué entièrement de matière, sans aucune présence d’antimatière.
L’expérience explorera les différences entre matière et antimatière en étudiant un
type de particule appelée « quark beauté » ou « quark b ». Le LHC recréera les
instants justes après le Big Bang, pendant lesquels les paires de quarks b et
d’antiquarks b auraient été produites.
Le détecteur LHCb
V) TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement) :
L’expérience TOTEM étudie des particules à très petits angles, une partie de la
physique inaccessible aux expériences polyvalentes.
Entre autres recherches, TOTEM va par exemple mesurer la taille des protons et
évaluer précisément la luminosité du LHC.
Bien que les deux expériences soient indépendantes, TOTEM complètera les résultats
obtenus par le détecteur CMS ainsi que par les autres expériences du LHC.
VI) LHCf (Large Hadron Collider forward) :
L’expérience LHCf utilise les particules à petits angles créées à l’intérieur du LHC pour
simuler des rayons cosmiques en conditions de laboratoire.
Les rayons cosmiques sont des particules chargées provenant de l’espace
interstellaire et qui bombardent constamment l’atmosphère terrestre.
Arrivées dans la haute atmosphère, ces particules énergétiques percutent des
noyaux d’atomes, ce qui produit une cascade de particules au sol.
8
Les collisions dans le LHC produisent des cascades similaires, ce qui pourrait aider les
physiciens à étalonner les détecteurs des gigantesques expériences sur les rayons
cosmiques (certaines peuvent couvrir des milliers de kilomètres) ainsi qu’à
interpréter leurs résultats.
Vue d’ensemble des principales expériences du LHC
9