Le grand collisionneur de hadrons (LHC)

Une immense expérience de physique

L' Organisation européenne de physique des particules ( CERN ) a construit un accélérateur-collisionneur  hors norme : le LHC ( Large Hadron Collider ou Grand Collisionneur de Hadrons ). Avec ses 14 000 milliards d'électronVolt ( 14 téra électronVolt ou 14 TeV ) de pure énergie le LHC va pousser le "modèle standard" au-delà de sa cohérence actuelle.

Pour ceux qui ne sont pas familiers de la physique de particules, disons qu'elle est le domaine de recherche qui étudie l' infiniment petit. À la suite de progrès fantastiques les physiciens perçoivent les détails de la constitution de la matière ,100 millions de fois plus fins qu'il y a un siècle, quand les atomes  semblaient insécables. Aujourd'hui le "modèle standard" rassemble les constituants élémentaires qui ont été progressivement tous découverts. Ce modèle fonctionne bien et le comportement des particules est bien élucidé pour les énergies que l'homme maitrise. Il manque la découverte du boson de Higgs pour achever la cohérence du "modèle standard".

Les dernières mesures provienne du Tevatron ( Fermilab )

La théorie actuelle des particules élémentaires ( le "modèle standard" ) demande de nouvelles confirmations expérimentales. D'autres théories sont en embuscade. Peut-être  sommes-nous à l'aube d'une nouvelle physique des particules ( supersymétrie ou "Susy" , ou modèles exotiques ) ?

Dans Science et Vie de mai 2008 , Mathieu Grousson a écrit un article dont le titre est un peu sensationnel : Boson de Higgs / la " Particule de Dieu " à portée de main ^[1]. Apprêtez-vous entendre parler plus souvent du Boson de Higgs et du LHC car il s'agit des objets principaux de la plus gigantesque expérience de physique entreprise à ce jour . Objets étonnants, car le LHC est probablement la machine la plus complexe jamais construite et le boson de Higgs une particule qui n'existe peut-être pas. Des résultats sont attendus d'ici à 2010.

• Mise en route et événements 
• Premier faisceau le 10-09-2008 .
• Incident au LHC secteur 3-4 le 19 septembre 2008 : fuite importante d'Helium dans le tunnel en raison d'une connexion défaillante entre deux aimants et qui a fondu. Pas de risque pour le personnel.
  
• Présentation le 3 octobre 2008 de l'informatique en Grille de calcul.
• Inauguration du LHC le 21 octobre 2008  en dépit de la panne . Lancé en fanfare le 10 septembre dernier, le LHC n'aura finalement fonctionné que pendant trois ou quatre jours avant son arrêt pour réparation et maintenance hivernale ^[2].
  
• 06-03-2009 -  Le secteur 6-7 est à présent ramené à température ambiante et les travaux d’ouverture des interconnexions entre l’aimant défectueux et ses voisins ont commencé. L’aimant en question, qui présente une résistance élevée au niveau d’une connexion interne, sera retiré et inspecté.

• Lors de l’incident survenu en septembre dernier dans le secteur 3-4, la pression exercée par l’hélium sur les barrières à vide avait fait sortir certaines sections droites courtes de leur ancrage, ce qui avait occasionné des dommages secondaires à une certaine distance à partir du point d’origine de l’incident. Comme le nouveau dispositif de protection contre la surpression, le nouveau système d’ancrage fait partie du programme de consolidation de la machine. La production démarrera dès que le feu vert sera donné. Le nouveau système sera installé  sur 104 aimants .Le système de protection renforcée contre les transitions résistives est constitué de deux éléments séparés : le premier permet de protéger les aimants en détectant les connexions présentant une résistance anormalement élevée, et le deuxième permet de détecter une éventuelle transition résistive symétrique.

• 16-04-2009 : Le dernier aimant dipôle réparé pour le secteur 3-4 a été descendu dans le tunnel du LHC. Depuis le début des réparations dans ce secteur, le groupe Vide procède au nettoyage des tubes de faisceaux pour enlever les débris métalliques et la suie créée par le court-circuit de septembre dernier.
• Remise en marche en novembre 2009 avec une énergie de 3,5 TeV par faisceau.

• Pour tous les détails techniques concernant le LHC je ne peux que vous renvoyer à la lecture des articles du site LHC de CERN.
• Présentation sur YouTube

  Brève présentation historique du LHC
  
  

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Où est le LHC ?

Le LHC est construit au fond d'un tunnel de 27 kilomètres de circonférence foré sous la plaine lémanique, entre la ville de Genève et la montagne du Jura , de part et d'autre de la frontière franco-suisse donc. Il passe sous le pays de Gex et frôle tangentiellement les pistes de l'aéroport de Genève.  ( voir le zoom du site LHC France ) . La profondeur moyenne est de 100 mètres. Seules les zones d'interactions donnent lieu à des installations visibles en surface.

Le CERN

Le CERN, Organisation européenne pour la recherche nucléaire, est le plus éminent laboratoire de recherche en physique des particules du monde. Il a son siège à Genève.

Ses États membres actuels sont les suivants : Allemagne, Autriche, Belgique, Bulgarie, Danemark, Espagne, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Italie, Norvège, Pays-Bas, Pologne, Portugal, République slovaque, République tchèque, Royaume-Uni, Suède et Suisse.

La Commission européenne, les États-Unis d’Amérique, la Fédération de Russie, l’Inde, Israël, le Japon, la Turquie et l’UNESCO ont le statut d’observateur.

Existe-t-il un concurrent américain ?

• 2 continents , 2 accélérateurs , une particule : qui la trouvera ?

• Les américains sont présents au LHC . Sur les 10 000 personnes travaillant^[3] au LHC ou pour le LHC , 1000 dépendent des universités et des laboratoires nationaux des USA.
  
• Le Congrès américain avait jugé l'aventure trop onéreuse, quand il s'était agi de construire au milieu du Texas, une machine concurrente appelée le SSC ( Superconducting Super Collider ).La machine devait atteindre les 87 kilomètres de conférence. Après avoir commencé l'excavation le projet croula, écrasé par son gigantisme, en 1993.
  
• Le Tévatron ,accélérateur-collisionneur construit au Fermilab près de Chicago,  reste à ce jour l'accélérateur de particules Terascale ( énergie de 2 TeV ) pouvant encore créer la surprise de découvertes avant que le LHC atteigne sa pleine puissance ( 7 TeV + 7 TeV ).

Que signifie hadronique  ?

Le LHC va accélérer et envoyer l'un contre l'autre 2 faisceaux de protons qui sont, par définition, des « hadrons » , c'est-à-dire des particules composées de quarks et  soumises à l' interaction forte , l'une des quatre interactions du "modèle standard". Les collisions hadroniques peuvent impliquer des protons contre des protons ou des protons contre des anti-protons.Les résultats des collisions (interactions ) à très haute énergie, des gerbes de particules ,  seront analysés par un ensemble d'expériences incroyablement complexes composées de détecteurs ( ATLAS^[4], CMS , Alice , Totem ) et d'un système informatique sophistiqué et rapide pour "digérer" les données et retenir les "événements ".

Le modèle standard ^[5]

Le modèle standard : les particules et les forces ( document Fermilab )

• 6  leptons (électron , Muon , Tau et leur neutrino respectif ) et 6 quarks ( Up , Charm, Top, Down, Strange, Botton)  suffisent à construire toutes les particules connues.

• 4 forces sont à l'œuvre :  les 2 premières ont été l'objet d'étude de la physique classique. La gravitation  et la force électromagnétique ont en commun d'être de portée infinie et inversement proportionnelles au carré des distances. Les interactions forte et faible ont une portée très petite.
  
•  La gravitation (médiateurs :  gravitons . Ces bosons d'interaction n'ont pas été mis en évidence et n'appartienent pas au modèle standard proprement dit ) .

•  La force électromagnétique (médiateurs :  photons ϒ) : impliquée dans l'électricité, le magnétisme, la cohésion de l'atome et du cristal , la chimie.
•  L'interaction faible (médiateurs : bosons W^± et Z° ) : impliquée dans les désintégrations radioactives de type ß des particules élémentaires et des noyaux.La force faible se manifeste dans la combustion thermonucléaire des étoiles.
• Un des grands succès de la physique des particules a été d'unifier dans un même formalisme l'interaction faible et l'électromagnétisme qui apparaissent comme deux aspect d'une même force
   dite électrofaible.
  
•  L'interaction forte  ( médiateurs : gluons ) : impliquée dans la cohésion des protons et des noyaux.
• 3 générations ( la première génération de particules représente la matière telle qu'elle se manifeste de manière permanente , les deux autres générations représentent la matière telle qu'elle se manifeste dans les accélérateurs de particules avec des durées de vie très brèves ).
  

L'informatique du LHC

Sites incontournables

• CERN  - Le Grand collisionneur de hadrons 
  
• CERNLand - Pour les enfants 
• LHC France :  La place de la France dans le plus grand accélérateur de particule au monde , le LHC
• Banque d' images  de US LHC
  
• LHC, un rêve de Big Bang   ( Dossier Radio France )
  
• Interactions.org {en} 
• Symmetry {en} 

Bibliographie et articles grand publics récents

• Sciences et Avenir de mai 2008 a consacré une suites d'articles au LHC ; dossier réalisé par David Larousserie , envoyé spécial au CERN