Lors d`une collision de protons, il y a création de nouvelles

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 déecteurs. 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 déecteur 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.
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 diérentes
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.
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 mètres.
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 conrmation 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.
Le CERN, est l’un des plus grands et des plus prestigieux laboratoires scientiques du monde. Il
a pour vocation la physique fondamentale, la découverte des constituants et des lois de
l’Univers. Il utilise des instruments scientiques 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.
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).
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 susantes 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.
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) an d’observer leurs collisions.
Vue en coupe d’une simulation
de collision à l’intérieur d’un des
détecteurs.
Evolution de l’Univers depuis
le Big Bang à nos jours.
Récapitulatif du Modèle Standard de la Physique
des Particules. ALICE
Le LHC en coupe. Les protons circulent
dans les deux tubes représentés en jaune.
8|
Un géant européen.
Un formidable outil à la disposition des scientifiques du monde entier.
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.
Le CERN
9|
De Montpellier au CERN.
Vers des accélérateurs toujours plus puissants pour demain.
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.
Le LUPM
10|
L’aventure continue.
... bienvenue à la nouvelle génération !
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 ...
Après le LHC
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
ALICE
A Large Ion Collider Experiment
Des mini Big Bang en laboratoire
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.
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.
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.
4|
Comment ça marche ?
Des détecteurs gigantesques étudient ces objets minuscules.
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...
Un accélérateur
de particules
5|
Une technique sophistiquée.
Que cherche-t-on avec cet outil gigantesque?
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.
La détection
des particules
6|
Un monde à explorer.
Une expédition prometteuse et une moisson de résultats à la clé.
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.
La frontière
de l’énergie
Lumière visible
Rayons X
Premiers accélérateurs
de particules
LHC
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.
7|
dans la connaissance.
Un programme très ambitieux qui place le CERN au 1er rang mondial.
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.
Le LHC :
un tournant...
Fam ille d e l’ éle ctr on Fam ille d es qua rk s
3ème gén ér ati on ta u W QW bot tom b top
ttrès lourde, ins tab le
2ème gén ér ati on m uo n
P
QPstr an ge
s
cha rm
c
lourde, ins ta ble
1ère gén ér ati on él ect ron
e Q edow n d
up ulégère, sta ble
le pho ton
J
tr an spo rte l’ élec tro ma gnét ism e (da ns l’ atom e)
le glu on g tra ns por te l ’in ter acti on fo rte (da ns le pr oto n)
le
W
et le
Z
tra ns por tent l’ inte ra ctio n f aib le (dés int égr atio n du neu tro n)
le Hig gs H (pa s déc ou ver t) ex pliq ue-t-il la ma ss e d es pa rtic ule s ?
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.
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.
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.
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.

La plus grande machine du monde
pour voir les plus petites choses du monde... le LHC
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…
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. An 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.
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.
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.
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 identier
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) 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
diérente.
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.
1 millimètre = 1000 micromètres
1 micromètre = 1000 nanomètres
1 nanomètre = 1000 picomètres
1 picomètre = 1000 femtomètres
1 femtomètre = 1000 attomètres
Atlas
CMS
LHCb
Plan du LHC
De l’atome aux quarks
1|
Le LHC est une loupe surpuissante pour explorer l’infiniment petit.
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 géné-
ration 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
Qu’est-ce que cette machine ?
2|
Qu’y a-t-il sous la loupe ?
Cette démarche a bouleversé notre compréhension de la matière.
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.
Les échelles
de taille
Un atome = 0,1 nm = 0, 000 000 001 souris
10 000
Des nanobactéries = 0,1 Pm = 1 000 atomes
1000
Un noyau = 10 fm = 0,000 1 atome
100 000
Une paramécie = 0,1 mm = 1 000 000 atomes
1000
Prochaine étape : sous la loupe du LHC
= 0,000 1 fm = 0,000 000 001 atome
Une souris = 10 cm = 1 000 000 000 atomes
1000
Les particules
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.
Prix Nobel de Physique 1959
Les quarks
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 1969
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
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
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.
Prix Nobel de Physique 1976
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
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.
Le modèle standard
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.
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
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.
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.
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
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
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 1938
et 1945
La fission de l'uranium
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
3|
Quels résultats ?
Un nouvel accélérateur pour aller plus loin.
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.
Un siècle
d’explorations
ATLAS
A Toroidal LHC ApparatuS
Un monstre veille dans sa caverne
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.
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.
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.
CMS
Compact Muon Solenoid
L'aimant le plus puissant du monde
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 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.
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.
LHCb
Large Hadron Collider beauty experiment
De l’autre côté du miroir de la matière
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.
Plus de 600 chercheurs, ingénieurs et étudiants,
venant de 50 laboratoires de 15 pays.
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.
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.
Crédits photographiques : CERN, Genève .
Conception © LUPM : Françoise Amat, 2007. Mise à jour : Elodie Valette, 2011