Quelle est l’origine de l’univers ? De quoi est faite la matière ? Tant de questions auxquelles les physiciens tentent de répondre. Un outil sur Terre : l’accélérateur de particules. Il en existe environ 13 000 actifs dans le monde dont les usages vont de la recherche fondamentale à la médecine en passant par l’industrie.
Nous parlerons ici de celui qui est à l’origine de la découverte du boson de Higgs, de celui qui est actuellement le plus puissant sur Terre : le LHC.

Qu’est ce que le LHC ?

LHC. Trois lettres énigmatiques souvent associée à quatre autres : CERN. Organisation (autrefois Conseil) Européen pour la Recherche Nucléaire. Cette organisation a été fondée en 1954 dans le but de promouvoir la recherche scientifique européenne, sans aucun but militaire et dont les résultats seraient libres d’accès à tous.

C’est ainsi qu’à Meyrin, banlieue de Genève en Suisse, a été construit le CERN, véritable centre européen de recherche en physique des particules et en physique nucléaire comportant maintenant 22 états membres.

Et le LHC dans tout ça ? Commençons par voir ce qui se cache sous ces trois lettres. Large Hadron Collider ou grand accélérateur de hadrons en français. Il consiste en un anneau circulaire de 27 km de circonférence, enfouit à environ 100 mètres sous terre. Dans cet instrument deux faisceaux de particules sont accélérés à des vitesses proches de celle de la lumière – plus précisément 0.999999991 % de celle-ci, à l’énergie maximale atteinte, 7 TeV - avant d’entrer en collision dans des détecteurs. Ces derniers vont permettre d’en étudier les produits résultant. L’exemple souvent utilisé pour décrire l’énergie des particules dans le LHC est celui-ci : 1 TeV correspond environ à l’énergie cinétique d’un moustique volant.

Pourquoi accélérer ? Plus on accélère les particules, plus leur énergie est grande lors de la collision. Par conservation de l’énergie, l’énergie additionnée de tous les produits de la réaction doit être égale à celle des deux particules ayant collisionné. Plus l’énergie des particules incidentes est élevée et plus celle des produits pourra donc l’être !

Ainsi pour découvrir des particules de masse plus grande, donc d’énergie plus grande (masse = énergie d’après la célèbre relation d’Einstein E =mc² pour un système au repos), il faut des particules incidentes à haute énergie. La seule façon de les atteindre sur Terre est d’accélérer des particules en laboratoire.

Sur le trajet du LHC quatre détecteurs ont été construits. Le plus gros s’appelle ATLAS : 46 m de haut, 25 m de long et de large. Le plus compact s’appelle CMS et pèse environ deux fois la tour Eiffel !

Figure 1_ Vue en coupe du LHC [Crédit : CERN]

Comment fonctionne-t-il ?

Le LHC est un accélérateur circulaire qui accélère des protons. Pour récupérer ces derniers les physiciens utilisent de l’hydrogène. Cet atome est constitué d’un proton et d’un électron. Il suffit donc de séparer les deux pour pouvoir récupérer un proton. Un paquet de protons est ensuite injecté dans plusieurs systèmes accélérant successifs afin d’arriver à une énergie de 7 TeV dans le LHC partant de leur énergie de masse (c’est-à-dire l’énergie due à leur masse au repos).

Figure2_Schéma du complexe d’accélérateurs du CERN [Crédit : LHC France]

Afin que les faisceaux restent bien centrés dans les tubes, des aimants supra conducteurs sont placés sur toute la longueur du LHC. Supra conducteur signifie qu’ils laissent passer l’électricité sans perte d’énergie. Or ce phénomène n’est possible qu’à très basse température. Le LHC est à - 271,3°C … Même dans l’espace intersidéral il fait plus chaud !

En entrant dans le LHC, le faisceau de proton se divise en deux, chacun partant dans une direction et tournant dans l’accélérateur jusqu’à ce que les détecteurs soient mis en service. Alors, les deux tubes se rejoignent et… Bam ! Collision !

Figure 3_ Collision à 7 TeV dans le détecteur ATLAS [Crédit : ATLAS Experiment]

Des milliers de particules sont créés, dont certaines vont se désintégrer entrainant une véritable cascade de particules. Le nombre d’évènements est tellement grand qu’il est nécessaire de procéder à des coupures et donc d’en stocker qu’une partie. Même ainsi, des milliers de Téra octet de données sont traités par des physiciens du monde entier chaque année !

Que cherche-t-il ?

Quatre détecteurs. Quatre expériences aux multiples thématiques. Un but : répondre aux questions ayant trait à la nature fondamentale de notre univers.
Où est passée l’antimatière ? Quelles sont précisément les propriétés des particules de matière ? Qu’est-ce que la matière noire ? Existe-t-il des dimensions supplémentaires d’espace-temps ? La super-symétrie - SUSY pour les intimes- existe telle ?
Et tant d’autres questions…

Une petite remarque en passant

NON le LHC n’est pas dangereux et ne va pas créer de trous noirs cosmologiques qui vont détruire la terre !

Conclusion

Bien que la communauté scientifique ait commencé à discuter l’après LHC, ce dernier va encore tourner de longues années, élargissant le champ des connaissances et l’horizon des possibilités, apportant avec lui si ce n’est de nouvelles réponses, au moins des nouvelles questions et innovations technologiques, nous rapprochant chaque fois un peu plus des mystères de la matière et des origines de l’univers ...

Liens

Pour plus de détails sur le CERN et le LHC :
https://home.cern/fr
http://www.lhc-france.fr/