Comment ça marche ? L'accélérateur de particules est l'outil indispensable pour sonder la matière. Les protons sont accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière et ils se percutent. L'énergie de la collision se matérialise en nouvelles particules fugaces. Pour accélérer des particules chargées comme les protons, on les fait circuler dans un anneau où un champ magnétique courbe leur trajectoire. A chaque tour, les particules gagnent de l'énergie et le champ magnétique augmente pour qu'elles restent dans l'anneau. Le LHC délivre à la fois le faisceau le plus énergétique et le plus intense jamais obtenu : les protons vont à la vitesse de la lumière moins 10 km/h ! Grâce à une technique originale, on fait circuler les protons en sens opposés dans deux anneaux superposés ; les protons sont accélérés simultanément. Une fois que l'énergie maximale est atteinte, les protons sont légèrement déviés pour se collisionner de plein fouet dans des détecteurs installés sur l'anneau. Un grain de sable accéléré par le LHC aurait la même énergie qu'une météorite de 5 m de diamètre ! Une partie de l'énergie libérée par la collision des protons se transforme en matière, selon la fameuse formule E = mc2. Le LHC dégage une énergie dix fois plus grande que l'accélérateur précédent, le Tevatron aux Etats-Unis. Des particules nouvelles encore jamais observées pouraient être produites. Mais celles-ci étant très rares ne survivraient que très peu de temps... Des détecteurs gigantesques étudient ces objets minuscules. Un accélérateur de particules est un dispositif permettant d’augmenter l’énergie des faisceaux de particules pour produire des collisions à hautes énergies. Sur l’anneau principal se trouvent des appareils appelés cavités accélératrices et d’autres aimants déflecteurs. Quand les particules les traversent, elles subissent une force qui les accélère ou qui dévit leurs trajectoires pour leur faire suivre la forme de l’anneau. Chaque aimant déflecteur mesure 14 mètres de long et est baigné dans de l’hélium liquide qui les maintient à une température de -271° Celsius. A chaque expérience, des milliards de particules sont placées dans le LHC. Ces particules forment des paquets qui permettent d’augmenter la probabilité de collision à chaque rencontre. détection 5| La des particules Une technique sophistiquée. Les détecteurs de particules sont des géants qui tiendraient à peine dans Notre Dame de Paris. Ces énormes assemblages de capteurs ultrasensibles donnent une image très détaillée des centaines de particules produites par la collision de deux protons. Un détecteur fait de couches successives entoure la zone de collision des protons. Les particules produites par ce choc se désintègrent immédiatement en particules secondaires. Les épaisses couches sensibles arrêtent presque toutes les particules et mesurent l'énergie dégagée. Certaines particules, plus pénétrantes, s'échappent. C'est leur déviation par un champ magnétique intense qui nous indique leur énergie. Toute particule chargée arrache des électrons à son passage dans la matière et laisse une trace ionisée. Les capteurs électroniques détectent cette trace, l'amplifient et la convertissent en informations numériques. Cet instantané numérique est traité par ordinateur pour déduire la nature et la trajectoire des particules initiales. Les expériences du LHC peuvent produire chaque année l'équivalent d'une pile de CD de 20 km de haut ! Les phénomènes que l'on étudie sont rares et peuvent être confondus avec d'autres bien plus courants. Les chercheurs et étudiants inventent et mettent au point des logiciels (algorithmes) qui sont capable trier les quelques collisions intéressantes parmi des milliards. Les besoins informatiques monstrueux sont satisfaits grâce à la Grille de calcul du LHC. Coordonnée au CERN, elle connecte par le « Web » des milliers d'ordinateurs répartis dans le monde entier. Que cherche-t-on avec cet outil gigantesque? Vue en coupe d’une simulation de collision à l’intérieur d’un des détecteurs. frontière 6| La de l’énergie Un monde à explorer. Les conditions recréées par le LHC n'ont existé qu'aux premiers instants de l'Univers, pendant le Big Bang. Pour la première fois, les chercheurs peuvent directement étudier le comportement de la matière à ces énergies. C'est la taille du LHC qui lui permet d'atteindre une énergie dix fois plus élevée que l'accélérateur le plus puissant jusqu'à présent, le Tevatron à Chicago. Les 27 km du tunnel sont remplis par les aimants les plus puissants que l'on sache construire. Les protons atteignent une énergie équivalente à 7000 fois leur masse, permettant la matérialisation de particules si lourdes qu'elles n'ont jamais été observées à ce jour. Plus les particules sont énergétiques, plus elles donnent une image détaillée de la structure de la matière. Par exemple, le laser rouge qui lit les DVD actuels donnerait une image brouillée de la gravure plus fine des DVD du futur. Par contre, un laser bleu, plus énergétique, en donnera une image nette. Lumière visible Les rayons X, mille fois plus énergétiques que la lumière, visualisent les réseaux d'atomes dans les cristaux, mille fois plus petits que la gravure des DVD. L'énergie du LHC nous permet de voir des détails de 10-19 m, soit le milliardième d'un atome, afin de découvrir et étudier en détail de nouvelles particules. Rayons X Premiers accélérateurs de particules LHC Une expédition prometteuse et une moisson de résultats à la clé. Au cours des 35 dernières années, les accélérateurs, de plus en plus puissants, nous ont permis de nous faire une image structurée des constituants de la matière. On l'appelle le Modèle Standard de la Physique des Particules. Cependant, quatre grandes énigmes intriguent les physiciens. Y a-t-il des superparticules ? On imagine qu'à chaque particule correspond une superparticule : le squark pour le quark, le sélectron pour l'électron, le photino pour le photon... Ces superparticules n'existent pas dans la vie courante mais expliqueraient les différences d'intensité entre les interactions forte et faible. Apparues pendant le Big Bang, elles se seraient désintégrées immédiatement, sauf la plus légère d'entre elles : le neutralino. Le faisceau très intense du LHC est la meilleure chance de les observer. Fam ille de l’ électron Fam ille des quark s tau W QW bottom b top t très lourde, ins table 2 ème génération m uon P QP s trange s charm c lourde, ins table 1 ère génération électron e Qe down d up u légère, s table J trans porte l’ électrom agnétis m e (dans l’ atom e) g trans porte l’ interaction forte (dans le proton) W et le Z trans portent l’ interaction faible (dés intégration du neutron) le Higgs H (pas découvert) ex plique-t-il la m as s e des particules ? le photon le gluon le Où est passée l'antimatière ? Durant le Big Bang, toute l'énergie s'est matérialisée en paires de particules et d'antiparticules : quark/antiquark, proton/antiproton, électron/positon... comme on l'observe auprès d'un accélérateur. Logiquement, chaque particule aurait dû rencontrer son antiparticule - l'antimatière et s'annihiler pour ne laisser que des photons. Or, l'Univers est fait de matière qui pourrait venir de petites différences de comportement entre les particules et les antiparticules. Une des expériences du LHC étudiera ce phénomène. Le CERN est un laboratoire créé par les européens pour répondre aux questions fondamentales sur l’Univers. Il rassemble 8000 scientifiques venant de 80 pays. Ces efforts communs permettent une prodigieuse innovation qui repousse les frontières de la technologie et de l’ingénierie. Le CERN est un organisme européen doté d'un budget annuel de 590 millions d’euros provenant de ses 20 états membres. La France finance 15% de ce budget. Depuis sa fondation en 1954, en pleine guerre froide, il rassemble des chercheurs de toutes nationalités, de l'est à l'ouest et du sud au nord, et de tous âges, de l'étudiant au physicien renommé. Il leur fournit les énormes moyens technologiques nécessaires à l'exploration de la structure de la matière. 8000 chercheurs viennent de 578 universités, dont l’Université Montpellier 2, pour en bénéficier. Cette approche communautaire a porté ses fruits. C'est là que les collisions de faisceaux de particules ont été mis au point et que les courants neutres ont été découverts. Ces avancées ont permis la construction d'anneaux et de détecteurs devant produire et observer les collisions de particules dans des conditions jamais réalisées sur Terre. Plusieurs générations de collisionneurs ont précédé le LHC qui représente un investissement total de 7 milliards d’euros, soit environ 25 euros par européen. Le CERN prépare déjà sa future génération d’accélérateur. Le prix Nobel a été décerné en 1984 à Carlo Rubbia et à Simon van der Meer pour la construction au CERN d’accélérateurs de particules innovants et la découverte des particules W et Z. Georges Charpak a reçu le prix Nobel en 1992 pour l’invention au CERN de détecteurs de particules révolutionnaires. D'autres lauréats du Prix Nobel ont choisi le CERN pour y poursuivre leurs travaux. Depuis le début des années 1980, le CERN est leader mondial de la recherche dans ce domaine. Un formidable outil à la disposition des scientifiques du monde entier. Le LHC en coupe. Les protons circulent dans les deux tubes représentés en jaune. Le Big Bang est l’événement le plus énergétique jamais apparu dans notre Univers. Ce qui intéresse les physiciens ce sont les premières fractions de secondes après le Big Bang. En observant des collisions à très haute énergie, il y a des chances de recréer les collisions qui ont pu avoir lieu à l’époque et donc comprendre la formation des particules et de l’Univers tel que nous le connaissons. Il existe en physique une formule qui relie la taille de visibilité des objets à leur énergie. Plus les énergies mises en jeux pour les observations sont grandes, plus on peut voir des objets petits. Le LHC, avec des énergies allant jusqu’à 7TeV (TeraélectronVolt) devrait permettre de détecter des objets de l’ordre de 10-19 mètres. dans la connaissance. 3 ème génération Un géant européen. Lors d’une collision de protons, il y a création de nouvelles particules qui peuvent partir dans toutes les directions. Pour pouvoir les observer et déterminer leurs caractéristiques, il faut placer des détecteurs tout autour des points de collisions. Les détecteurs sont placés en couches successives autour de l’axe du faisceau de protons. En passant successivement dans les différentes couches des détecteurs, les particules sont analysées. On peut ainsi connaitre leur nature, leur charge électrique et leur énergie. A chaque collision, de grandes quantités d’informations sont collectées pour être analysées. LHC : 7| Le un tournant... D'où vient la masse des particules ? Le quark Top est au moins 100 milliards de fois plus lourd que le Neutrino. Pourquoi un tel écart ? Peter Higgs a émis à la fin des années 60 une hypothèse : par un mécanisme très subtil , une nouvelle particule interagirait plus ou moins fort avec les autres, ce qui leur donnerait une masse plus ou moins grande. Trop lourde pour avoir été vue par les accélérateurs précédents, elle sera peut-être observée grâce à l'énergie formidable du LHC. Cette particule hypothétique est appelée le boson de Higgs. 8| Le CERN Le neutralino est-il la matière noire ? Les galaxies et leurs amas sont plus lourds que la masse des étoiles qu'ils contiennent : 95% de la masse est invisible. De plus, les dernières traces visibles du Big Bang nous indiquent que cette masse n'est pas constituée d'atomes ordinaires. Cette mystérieuse «matière noire» serait composée de neutralinos, survivants du Big Bang. L'observation de superparticules au LHC conforterait cette hypothèse. Un programme très ambitieux qui place le CERN au 1er rang mondial. Récapitulatif du Modèle Standard de la Physique des Particules. Le CERN, est l’un des plus grands et des plus prestigieux laboratoires scientifiques du monde. Il a pour vocation la physique fondamentale, la découverte des constituants et des lois de l’Univers. Il utilise des instruments scientifiques très complexes pour sonder les constituants ultimes de la matière : les particules fondamentales. 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. Fondé en 1954, le CERN est situé de part et d’autre de la frontière franco-suisse, près de Genève. Il a été l’une des premières organisations à l'échelle européenne et compte aujourd’hui vingt États membres. 9| Le LUPM De Montpellier au CERN. Le Laboratoire Univers et Particule de Montpellier (LUPM) fait partie de l'Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules (IN2P3) du CNRS. Il participe à l'effort de recherche français en physique des particules. Une quinzaine de laboratoires de l'IN2P3 et le Dapnia du CEA contribuent à la construction et à la mise en oeuvre du LHC et de ses expériences. Le LUPM est une Unité Mixte de Recherche du CNRS et de l’Université Montpellier 2. Depuis 1968, ses chercheurs prennent part aux travaux théoriques associés aux expériences du CERN. Ils sont très impliqués dans le programme de recherche du LHC. Ils s’intéressent plus particulièrement à la supersymétrie et aux premiers instants de l’Univers. Parallèlement, le laboratoire étudie les rayons cosmiques, qui proviennent de l'accélération naturelle de particules dans la Galaxie et au-delà. Les chercheurs participent à de grandes collaborations internationales et travaillent sur des télescopes installés au sol (HESS en Namibie) ou en orbite (Fermi, AMS). L’expérience AMS, installée sur la station spatiale internationale ISS, est dirigée par le Professeur S.C.C. Ting, prix Nobel de Physique et coordonnée depuis le CERN. On a observé des particules cosmiques à des énergies jusqu’à 10 millions de fois supérieures à celle du LHC !!! Ce que l’Homme obtient au moyen des techniques les plus sophistiquées, la Nature le fait à travers des cataclysmes. Une étoile en fin de vie s'effondre sur elle-même et produit une gigantesque explosion, phénomène connu sous le nom de supernova. Un énorme trou noir qui absorbe régulièrement des étoiles au centre d'une galaxie forme ce que l’on appelle un Noyau Actif de Galaxie. Vers des accélérateurs toujours plus puissants pour demain. Le Laboratoire Univers et Particules de Montpellier créé le 1er janvier 2011 est issu de la fusion de deux laboratoires. Il réunit l’ensemble des membres du Groupe de Recherche en Astronomie et Astrophysique du Languedoc (GRAAL) et une partie des membres du Laboratoire de Physique Théorique et Astroparticules (LPTA). Le LUPM est composé d’une soixantaine de personnes. Le laboratoire est organisé autour de trois équipes de recherche : -Astrophysique Stellaire (AS), -Expériences et Modélisations en Astroparticules (EMA), -Interactions Fondamentales, Astroparticules et Cosmologie (IFAC). 10| Après le LHC L’aventure continue. Les physiciens cherchent à repousser encore plus loin la frontière de l'énergie. Ils pensent déjà à construire une machine qui succèdera au LHC. Seul un effort d'une ampleur mondiale lui permettra de voir le jour. La technologie des accélérateurs circulaires comme le LHC ne pourra pas être étendue au-delà de la taille actuelle. La future machine accélérera les particules en ligne droite. Ces particules seront des électrons. Depuis longtemps on alterne machines à électrons et à protons pour gravir l’échelle de la connaissance. Le CERN participe activement au projet mondial ILC, collisionneur linéraire international du futur. De la matière (électrons) entrera en collision avec de l’antimatière (antiélectrons ou positons). Au moment de cette collision, la matière et l’antimatière disparaîtront, s’annihileront, et l’énergie qu’elles contenaient sera transformée en nouvelles particules. On pourra régler très précisément l'énergie afin d'étudier de manière très fine les propriétés des particules qui auront été découvertes au LHC. La technologie évolue mais l'esprit demeure. Les chercheurs pénètrent dans cette région inexplorée avec un esprit ouvert. Ils ont bien sûr quelques idées sur ce qu'ils vont découvrir mais laissent une grande place à l'imprévu, à la surprise ! La recherche en physique accueille volontiers les esprits inventifs, les observateurs attentifs ... ... bienvenue à la nouvelle génération ! Evolution de l’Univers depuis le Big Bang à nos jours. Le Modèle Standard de la Physique des Particules permet de donner une description détaillée de la structure de la matière. Toutefois, il manque encore des réponses aux questions des chercheurs. Par exemple, les particules ont des masses mais ils ne savent pas ce qui en est responsable. L’explication en attente de confirmation est celle du boson de Higgs, qui serait à l’origine d’interactions avec les particules élémentaires et leur donnerai leurs masses. Il existe également des interrogations sur l’antimatière : pourquoi notre Univers est-il constitué en majorité de matière alors que lors de sa création il existait autant de matière que d’antimatière ? Les expériences menées au LHC devraient permettre de répondre à certaines de ces questions d’ici quelques années. Crédits photographiques des posters 1 à 11 : CERN, DESY, Form One Visual Communication, Hubble Space Telescope/NASA, LUPM, Norman Graf, Sandbox Studio, VLT/ESO, WMAP/NASA, Sources Wikipedia (photos Souris, Bactérie, Paramécie, Congrès de Solvay 1911). Conception © LUPM : Françoise Amat, 2007. Mise à jour : Elodie Valette, 2011 accélérateur 4| Un de particules ALICE A Large Ion Collider Experiment Des mini Big Bang en laboratoire Les protons et neutrons, qui composent les noyaux des atomes, sont eux-même constitués de quarks. Par exemple, un proton contient trois de ces briques élémentaires, liées les unes aux autres par les gluons, particules qui transportent l'interaction forte. Cette liaison est si forte que les quarks n'ont jamais été isolés. Selon la théorie de l'interaction forte (prix Nobel 2004), les protons et les neutrons soumis à une très forte pression se décomposent en un plasma de quarks et de gluons. Ce plasma aurait existé brièvement durant le Big Bang, quand l'Univers avait un âge de quelques millionièmes de secondes. Le LHC peut accélérer des noyaux de plomb, atomes débarrassés de leurs 82 électrons, pour les faire se choquer de plein fouet. Pendant un bref instant, ce choc reproduit les conditions du début de l'Univers, puis le plasma de quarks et de gluons se dilate et se condense en particules de matière ordinaire. A chaque collision, le détecteur ALICE enregistre les traces de près de 20 000 particules. C'est grâce à l'analyse de cette information que les chercheurs et les étudiants de la collaboration étudient ce nouvel état de la matière. Plus de 1000 chercheurs, ingénieurs et étudiants, venant de 80 laboratoires de 30 pays. Entre 2012 et 2015, le CERN envisage d’augmenter la luminosité au LHC. C’est à dire augmenter le nombre de particules par faisceaux, et par conséquent le nombre de collisions. Par la suite, plusieurs projets sont encore envisageables. Quelques projets sont sur la base d’une réutilisation d’accélérateurs de protons avec des muons ou des neutrinos. Le projet international ILC est un projet basé sur la construction d’un nouvel accélérateur qui ne serait plus circulaire mais linéaire. Il permettrait d’augmenter les énergies des faisceaux jusqu’à plusieurs centaines de GigaélectronVolts. Il s’agit d’une machine de précision qui accélèrerait à la fois des électrons et des positons (les anti-électrons) afin d’observer leurs collisions. Alice (A Large Ions Collider Experiment) mesure 26 mètres de long pour 16 mètres de large et 16 mètres de haut. L’expérience pèse 10 000 tonnes et est situé à St Genis-Pouilly en France. Avec cette expérience, les physiciens espèrent pouvoir observer un plasma de quarks et de gluon tel qu’il existait certainement juste après le Big Bang. Les quarks sont maintenus entre eux par une force si importante qu’il est impossible de voir un quark isolé. Avec le LHC, on espère observer des conditions de température et de densité suffisantes pour faire une "soupe de quarks". Pour avoir de nombreux quarks en jeu, Alice est spécialisé dans les collisions d’ions de plomb, plus complexes que les protons et contenant beaucoup plus de quarks. ALICE ATLAS A Toroidal LHC ApparatuS Un monstre veille dans sa caverne Pour dévoiler les secrets des constituants de la matière, le LHC délivre deux faisceaux très intenses de protons à une énergie de 7 TeV. Un milliard de collisions sont scrutées chaque seconde par ATLAS. Plusieurs théories ont proposé des explications aux questions que pose le Modèle Standard de la physique des particules. ATLAS traque le boson de Higgs, qui serait à l'origine de la masse des particules, les particules supersymétriques qui constitueraient la matière noire de l'Univers, et bien d'autres particules hypothétiques. Le plus grand détecteur de particules du monde mesure 46 m de long et 25 m de haut. Il est construit, en couches successives entourant le point de collision, dans la plus grande caverne artificielle jamais construite. Des chercheurs et étudiants de tous pays se préparent à analyser les résultats de ce mastodonte. Plus de 1900 chercheurs, ingénieurs et étudiants, venant de 160 laboratoires de 35 pays. Atlas est un dispositif de 46 mètres de long, 25 mètres de large et 25 de haut. C’est le plus grand détecteur jamais construit et il pèse 7 000 tonnes. Il est situé à Meyrin en Suisse. Atlas est construit en couches successives de détecteurs. Il peut identifier les particules issues de la collision, leurs vitesses et leurs énergies. A l’aide des séries de mesures et de l’étude des particules créées lors des collisions, Atlas recherche des traces éventuelles du boson de Higgs, cette particule encore inconnue qui donnerai leurs masses aux particules élémentaires. L’analyse des données permettra aussi de chercher d’autres dimensions et les constituants de la matière noire. CMS Compact Muon Solenoid L'aimant le plus puissant du monde Le détecteur de CMS est capable d'étudier les collisions de protons du LHC comme celles de noyaux de plomb. L'élément clé de l'appareillage est un aimant supraconducteur produisant un champ magnétique de 4 teslas. CMS chasse sur les mêmes terres que ATLAS les nouvelles particules prévues par les théoriciens : boson de Higgs, mini trous noirs, particules supersymétriques... Il peut aussi étudier le plasma de quarks et de gluons produit lors des collisions de noyaux de plomb. Avec 22 m de longueur et 14 m de hauteur, CMS, bien que plus compact que ATLAS, reste un énorme appareil. Si le boson de Higgs se trouve avoir une masse relativement faible, il sera plus difficile à detecter parmi les milliards de collisions enregistrées. Les chercheurs et étudiants de la collaboration comptent sur la précision du détecteur pour explorer un nouveau domaine de la physique. Plus de 2000 chercheurs, ingénieurs et étudiants, venant de 144 laboratoires de 39 pays. CMS LHCb Large Hadron Collider beauty experiment De l’autre côté du miroir de la matière A chaque particule correspond une antiparticule, identique en tout point sauf qu'elle porte une charge électrique opposée : l'antimatière. Durant le Big Bang, l'énergie s'est convertie en paires de particules et d'antiparticules. Si la matière et l'antimatière étaient parfaitement symétriques, elles se seraient annihilées peu après. Pourtant notre Univers semble ne contenir que de la matière. Depuis les années 60, nous savons qu'il existe une petite asymétrie entre la matière et l'antimatière. Cette symétrie faussée n'est cependant pas suffisante pour expliquer la disparition de l'antimatière. D'autres phénomènes de physique encore inconnus sont peut-être en jeu. Les collisions du LHC doivent produire des milliards de paires de quarks et d'antiquarks « b ». Le détecteur LHCb est particulièrement adapté à l'étude de particules contenant ces quarks. Grâce à ce dispositif ultrasensible, les chercheurs et étudiants de la collaboration espèrent en déduire l'origine de l'infime différence entre matière et antimatière. Crédits photographiques : CERN, Genève . Conception © LUPM : Françoise Amat, 2007. Mise à jour : Elodie Valette, 2011 Plus de 600 chercheurs, ingénieurs et étudiants, venant de 50 laboratoires de 15 pays. La plus grande machine du monde pour voir les plus petites choses du monde... le LHC Atlas CMS (Compact Muon Solenoid) est un détecteur de 21 mètres de long pour 15 de large et 15 de haut. Il pèse 12 500 tonnes et est situé à Cessy en France. C’est un détecteur polyvalent qui s’intéresse aux mêmes questionnements qu’ATLAS. Toutefois, les solutions techniques et le système magnétique sont de conception différente. L’aimant qui constitue CMS est un solénoïde géant, c'est-à-dire une bobine cylindrique qui génère un champ magnétique de 4 Tesla soit 100 000 fois celui de la Terre. Contrairement aux autres détecteurs, CMS a été entièrement construit en surface puis descendu sous terre. LHCb (Large Hadron Collider beauty) est une expérience qui mesure 21 mètres de long, 13 mètres de large et 10 mètres de haut. Elle pèse 5 600 tonnes et se trouve à Ferney-Voltaire en France. L’Univers semble n’être formé actuellement que de matière, le but de LHCb est de comprendre pourquoi la matière à pris le pas sur l’antimatière après le Big Bang. Pour ce faire, LHCb étudiera un type de particules appelée "quark beauté". Contrairement aux autre détecteurs installés en couches cylindriques autour du point de collision, les détecteurs de LHCb sont perpendiculaires aux faisceaux et placés les uns à la suite des autres. Le CERN, l’Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire est à l’origine du plus grand accélérateur de particules de notre époque : le LHC. Le grand collisionneur de hadrons a demandé 15 ans d’études et de construction pour pouvoir démarrer en 2008. Il est conçu pour accélérer des protons et étudier leurs collisions aux plus hautes énergies jamais atteintes sur Terre. Ce géant, situé à la frontière franco-suisse près de Genève, a pour but d’étudier la formation des particules et de comprendre l’Univers tel que nous le connaissons aujourd’hui. Si vous souhaitez tout savoir sur le LHC, suivez le guide… 1| Le LHC Qu’est-ce que cette machine ? C'est un anneau souterrain de 27 km de circonférence. Après 15 ans d'étude et de construction, il a démarré le 10 septembre 2008. En recréant les conditions qui existaient au début de l'Univers, il dévoilera la structure ultime de la matière. Le LHC - Large Hadron Collider ou Grand Collisionneur de Hadrons – est un accélérateur de particules européen construit au CERN à Genève (frontière franco-suisse). C'est la cinquième génération de machines réalisées au CERN depuis sa création en 1954. Depuis son démarrage en 2008, le LHC est la machine la plus puissante du monde en franchissant la limite des énergies atteintes jusqu’alors dans l’exploration de l’Univers. 1232 aimants supraconducteurs de 14 m de long et pesant 35 tonnes chacun, baignent dans de l'hélium liquide à -271°C. Ils font tourner 300 000 milliards de protons 11 200 fois par seconde dans l'anneau de 27 km. En 10 heures, ils parcourront 10 milliards de km, soit un aller-retour Terre-Neptune. Chaque seconde, des centaines de millions de collisions libèrent une énergie semblable à celle qui existait durant le Big Bang, un millionième de millionième de seconde après la naissance de l'Univers. Des milliers de chercheurs du monde entier sont prêts à observer ces collisions. Parmi eux, des physiciens théoriciens du Laboratoire Univers et Particules de Montpellier (du CNRS/IN2P3 et de l’Université Montpellier 2) étudient les résultats obtenus avec le LHC. Ils espèrent obtenir de nombreuses réponses à leurs questions sur la structure de la matière et l'évolution du cosmos. Le LHC est une loupe surpuissante pour explorer l’infiniment petit. Le LHC est un accélérateur de particules situé dans un anneau de 26 659 mètres de circonférence à 100 mètres sous terre, près de Genève. Le LHC est constitué de deux anneaux séparés dans lesquels les protons circulent en sens inverse. Afin de guider les particules chargées dans l’anneau, l’installation comprend 9300 aimants qui doivent être refroidis à -271°C pour fonctionner de manière optimale. Après leur voyage dans les deux lignes séparées, les protons se heurtent au cœur des expériences principales, appelées Atlas, CMS, Alice et LHCb. Le LHC a démarré le 10 septembre 2008. Plan du LHC échelles 2| Les de taille Qu’y a-t-il sous la loupe ? Depuis 100 ans, on sait que la matière est formée d'atomes. Ensuite, on a découvert que l'atome contenait un noyau et des électrons, des protons, des quarks... un monde peuplé d'objets minuscules aux propriétés intrigantes. Une souris = 10 cm = 1 000 000 000 atomes Une paramécie = 0,1 mm = 1 000 000 atomes 1000 1000 Des nanobactéries = 0,1 Pm = 1 000 atomes Un atome = 0,1 nm = 0, 000 000 001 souris 10 000 1000 Un noyau = 10 fm = 0,000 1 atome Prochaine étape : sous la loupe du LHC = 0,000 1 fm = 0,000 000 001 atome 100 000 Cette démarche a bouleversé notre compréhension de la matière. 1 millimètre = 1000 micromètres 1 micromètre = 1000 nanomètres 1 nanomètre = 1000 picomètres 1 picomètre = 1000 femtomètres 1 femtomètre = 1000 attomètres En une centaine d’années, avec les premiers accélérateurs de particules et les études sur le rayonnement cosmique, nous avons découvert que les objets que nous croyions élémentaires tels que les protons et les neutrons sont en réalité constitués d’éléments en principe ponctuels : les quarks. Ce sont ces éléments qui devraient, entre autres être étudiés au CERN grâce au LHC. On cherche à observer des objets d’une taille de l’ordre de 0,1 attomètre. LHCb siècle 3| Un d’explorations Quels résultats ? La découverte de la radioactivité par Henri Becquerel en 1896 et son étude par Pierre et Marie Curie en 1898 annoncent une révolution. Energie nucléaire, imagerie médicale et radiothérapie résultent de 100 ans de recherche sur les constituants de l'atome. La radioactivité En 1896, Henri Becquerel montre que l'uranium émet un rayonnement pénétrant d'origine inconnue. En 1898, Pierre et Marie Curie découvrent dans la pechblende deux autres émetteurs, le radium et le polonium. Ils inventent le terme de radioactivité. L'électron Joseph Thomson découvre l'électron en 1898 et l'identifie comme un constituant de l'atome. Prix Nobel de Physique 1906 Le photon et la relativité En 1905, Albert Einstein décrit la lumière à la fois comme une onde et une particule, le photon. Avec la théorie de la relativité, il explique la vitesse de la lumière comme une limite infranchissable. Il énonce l'équivalence entre l'énergie et la matière : E = mc2. Prix Nobel de Physique 1921 Prix Nobel de Physique 1903 La mécanique quantique Entre 1924 et 1928, on comprend le monde physique microscopique, très différent de notre quotidien : Louis de Broglie associe une onde à toute particule de matière ; Erwin Schroedinger formule la mécanique ondulatoire ; Paul Dirac combine mécanique quantique et relativité. Prix Nobel de Physique 1929 et 1933 La fission de l'uranium Le neutron, le pion et l'interaction forte En 1931, James Chadwick découvre le neutron, deuxième constituant du noyau atomique après le proton. En 1934, Hideki Yukawa explique l'interaction forte entre protons et neutrons et prédit qu'une nouvelle particule en est la cause : le pion. Prix Nobel de Physique 1935 et 1949 Les particules Les quarks En 1946, une nouvelle particule, le muon, est identifiée comme un électron lourd. En 1947, le pion prédit par Yukawa est découvert. A partir de 1953, les accélérateurs de particules permettent la découverte de très nombreuses particules, comme l'antiproton par Emilio Segré et Owen Chamberlain. En 1964, Murray Gell-Mann et Georges Zweig expliquent la diversité des particules par le fait qu'elles sont la combinaison de trois quarks : up, down et étrange. Ceux-ci sont découverts en 1969 en bombardant des protons avec des électrons très énergétiques. Prix Nobel de Physique 1959 Prix Nobel de Physique 1969 Le neutrino et l'interaction faible Wolfgang Pauli en 1930 prédit une nouvelle particule, le neutrino, pour expliquer la radioactivité bêta. Enrico Fermi formule en 1933 la théorie de l'interaction faible, responsable de cette radioactivité. Prix Nobel de Physique 1976 En 1938, Otto Hahn, Lise Meitner et Fritz Strassmann découvrent qu'un neutron peut casser un noyau d'uranium en deux. Des neutrons sont émis lors de cette fission et peuvent déclencher une réaction en chaîne. Frédéric Joliot brevètera début 1939 une méthode de production d'énergie nucléaire. Prix Nobel de Chimie 1944 Prix Nobel de Physique 1938 et 1945 Matière et antimatière En 1964, James Cronin et Val Fitch montrent que la matière et l'antimatière se comportent légèrement différemment. Cela pourrait expliquer que l'Univers issu du Big Bang soit fait de matière. Prix Nobel de Physique 1980 Nouveaux quarks Un quatrième quark, le charme, est découvert en 1974 par Burton Richter et Samuel Ting. Un troisième super-électron, le tau en 1976 et un cinquième quark, le bottom en 1977, sont les éléments d'une troisième génération que complètera le quark top en 1995. Le noyau atomique En bombardant une feuille d'or de particules alpha, Ernest Rutherford déduit en 1911 l'existence du noyau. Situé au coeur de l'atome et 10000 fois plus petit, il concentre 99,98 % de sa masse et toutes les charges positives. Les électrons négatifs représentent 0,02 % de la masse et remplissent le reste du volume. Unification des interactions En 1967, Steven Weinberg et Abdus Salam montrent que les interactions faible et électromagnétique sont deux aspects de l'interaction électrofaible, plus fondamentale. Au 19e siècle, Maxwell avait déjà réussi à unifier les interactions électrique et magnétique. Prix Nobel de Physique 1979 Découverte du W et du Z Au CERN, Carlo Rubbia et Simon Van Der Meer transforment un accélérateur en collisionneur de protons et d'antiprotons. On observe en 1983 les bosons W et Z, prévus par la théorie électrofaible. Prix Nobel de Physique 1984 Les neutrinos oscillent Le modèle standard En 1998, l'expérience Superkamiokande au Japon annonce que les neutrinos de différentes générations oscillent et prouve ainsi qu'ils ont une masse très faible. De nombreuses expériences ont ensuite confirmé ces observations. Un nouvel accélérateur pour aller plus loin. Semblable au tableau des éléments chimiques, il regroupe les particules en quarks, qui constituent le proton, et leptons, tels l'électron et le neutrino. Pourquoi ces particules ont des masses si différentes ? Pourquoi sont-elles regroupées en générations ? De nombreuses autres questions restent sans réponses. Depuis le début du XXème siècle, la physique des particules n’a cessé d’évoluer. La découverte de la radioactivité, a ouvert les portes de la physique nucléaire. En 1911, Ernest Rutherford fut le premier à mettre en évidence le noyau de l’atome. La physique nucléaire a permis de mettre en évidence les protons et les neutrons puis beaucoup d’autres particules. Pour expliquer la diversité de particules nouvellement découvertes, on a introduit des éléments plus petits, les briques élémentaires de la matière : les quarks. Le Modèle Standard de la Physique des Particules décrit les quarks et les leptons, dont le plus connu est l’électron, ainsi que leurs interactions. De l’atome aux quarks