Tout sur le LHC 3


Le LHC (Large Hadron Collider ou Grand Collisionneur de Hadrons) est un accélérateur de particules dont l'activité a débuté le 10 Septembre 2008. C'est le plus grand accélérateur de particules au monde, mais aussi le plus coûteux puisque 5.2 milliards d'euros ont été investis simplement pour la construction de la machine, environ 300 millions d'euros sont nécessaires chaque année pour faire fonctionner le projet.

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J'ai décidé de vous faire un petit article sur le LHC parce que c'est un instrument fascinant qui est vu comme un peu futuriste par les passionnés de science et de science fiction et qui fait régulièrement l'actualité dans la plupart des magasines lorsqu'une nouvelle particule est découverte. Seulement, très peu de gens connaissent réellement son fonctionnement et son intérêt en physique, au delà de la découverte de particules étranges. D'ailleurs, savez-vous comment de nouvelles particules sont créées, comment elles sont détectées ?

Quels sont les objectifs du LHC ?

Le LHC comme son nom l'indique consiste en la collision de différentes particules à différentes énergie dans le but de détecter de nouvelles particules aux nouvelles énergies, nous verrons par quelle méthode plus tard. Mais qu'est ce que ces particules peuvent bien apporter à la science ?

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Énormément de choses ... L'objectif général du LHC est d'apporter des élément de réponse précis aux nombreuses questions que se posent les physiciens des particules (ou de l'infiniment petit) et les cosmologues (physiciens de l'infiniment grand). Des questions cruciales sur l'histoire de l'univers ou sur le fondement de la matière pourraient être résolues grâce au LHC.

La récente découverte du boson de Higgs en 2012 est venue compléter le modèle standard qui répertorie l'ensemble des particules élémentaires de l'univers à l'origine de la matière ou des interactions. En l’occurrence, le boson de Higgs est une particule qui expliquerait pourquoi certaines particules ont une masse comme l'électron par exemple, et pourquoi d'autres n'en ont pas comme le photon.

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Le boson de Higgs est une particule très spéciale car elle est à l'origine de la masse des autres particules. En réalité, c'est un peu plus compliqué que cela : l'espace est baigné dans ce que l'on appelle un champ de Higgs et chaque particule interagit plus ou moins avec ce champ de Higgs. La densité du champ de Higgs est plus élevée autour d'une particule à la masse élevée. En mécanique quantique, on parle souvent de fluctuations quantiques. Appliqué au champ de Higgs, cela signifie que la densité du champ de Higgs fluctue de manière aléatoire selon certaines probabilités prédites par la théorie quantique. A certains moments, la densité de ce champ atteint un maximum comme ici représenté sur l'image ce qui signifie que la probabilité de trouver le boson de Higgs est maximale.

Le LHC chercherait également à montrer la présence de ce que l'on appelle à supersymétrie qui consiste à dire que chaque particule de spin demi-entier possède une particule symétrique appelée superpartenaire de spin entier. Je n'expliquerai pas cette notion de supersymétrie car elle est extrêmement compliquée à comprendre et demande de nombreuses connaissances en physique. Sachez cependant de toute la physique des particules est construite dessus et qu'il existe de nombreux modèles de supersymétrie donc il est nécessaire de "faire le tri" pour dégager un modèle correct.

Certains modèles de physique des hautes énergies/physique des particules prédisent la présence de dimensions supplémentaires, jusqu'à 24 pour la théorie des supercordes qui est une "évolution" de la théorie des cordes. Je ne vous l'expliquerai pas non plus parce qu'elle est très compliquée à comprendre et que moi même je n'en connais pas assez. Je sais simplement que la théorie des cordes consiste à dire que toute la matière de l'univers trouve son origine dans des toutes petites cordes qui vibrent à des fréquences bien précises. Les dimensions se cachent dans leurs différents modes propres.

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Les noyaux atomiques, sont composés de protons et de neutrons qui seraient eux même composés de quarks. Seulement, il est impossible d'observer un quark seul car ils ont tendance à se mettre par deux ou par trois pour former différentes particules. Il semblerait qu'à très haute température, les quarks puissent exister de manière indépendante. C'est ce que le LHC va chercher à montrer à l'aide de collisions toujours plus énergétiques.

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Les physiciens n'ont jamais réussi à isoler un quark. Ils s'associent en général par deux ou par trois. Il existe différents types de quarks qui répondent à une logique bien précise énoncée par le modèle standard. Ici le proton est composée de deux quarks Up et un quark Down. Le neutron quant à lui est composé de deux quarks Down et un quark Up. Les quarks sont à l'origine de toutes les propriétés physiques des nucléons et de bien d'autres particules.

Les scientifiques cherchent également à mettre en évidence la matière noire dont la présence est déterminée par la proportion très importante de la masse de l'univers qu'elle occupe mais qui est absolument invisible car elle ne semble pas interagir avec la matière "normale" ou baryonique.

La théorie du big bang énonce qu'à l'origine de l'univers, il y avait autant de matière que d'antimatière. Par la suite, un phénomène appelé baryogenèse aurait généré un peu plus de matière que d'antimatière. Les deux se seraient ensuite annihilés pour ne laisser subsister que la matière actuelle de l'univers. Le LHC permettrait entre autre de trouver quelques explications aux causes qui ont précédé ce phénomène.

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Voici en (a) le schéma d'un atome d'hydrogène et en (b) le schéma de son antiparticule l'anti-hydrogène. Nous constatons que l'anti-hydrogène est composé d'un anti-proton qui est l'antiparticule du proton et d'un positron ou positon qui est l'antiparticule de l'électron. Comme le code couleur l'indique, toutes les charges sont inversées, l'anti-proton possède une charge négative tandis que le proton possède une charge positive, le positon possède une charge positive tandis que l'électron possède une charge négative. Si deux atomes d'hydrogène et d'anti-hydrogène venaient à entrer en collision, il s'annihileraient automatiquement en produisant de l'énergie sous forme de photons.

Vous comprenez peut être pourquoi vous ne comprenez jamais rien quand vous lisez un article concernant le LHC. L'accélérateur est un instrument de pointe dont les objectifs sont extrêmement poussés et pas évidents à comprendre pour une personne non renseignée en Physique.

Comment fonctionne le LHC ?

Le LHC est en réalité composé de 3 anneaux d'accélération dont la circonférence du plus gros atteint les 25 km. L'objectif de ces anneaux est d'accélérer des particules à des vitesses proches de celle de la lumière (vitesses relativistes) afin qu'elles acquièrent une énergie élevée puis de les faire se choquer face à face. La collision est telle que les particules vont se désintégrer et donner naissance à tout un tas de particules qui se propagent dans toutes les directions de manière aléatoire. Plusieurs milliers de détecteurs sont placés autour du tube d'accélération afin de détecter les particules produites.

Voici un schéma trop détaillé du LHC. On y voit la présence de nombreux accélérateurs mais les plus importants sont PS (Proton Synchrotron), SPS (Super Proton Synchrotron) et enfin le LHC (Large Hadron Collider) qui est le lieux ou se passent les collisions. On y voit également la présence des 4 principaux détecteurs que sont Atlas, Alice, CMS, LHCb qui sont composés de milliers de sous-détecteurs.

Voici un schéma trop détaillé du LHC. On y voit la présence de nombreux accélérateurs mais les plus importants sont PS (Proton Synchrotron), SPS (Super Proton Synchrotron) et enfin le LHC (Large Hadron Collider) qui est le lieux ou se passent les collisions. On y voit également la présence des 4 principaux détecteurs que sont Atlas, Alice, CMS, LHCb qui sont composés de milliers de sous-détecteurs.

Les accélérateurs et le collisionneur (le LHC) sont construits à une profondeur moyenne de 100 m sous terre afin d'éviter les interférences avec toute particule cosmique hautement énergétique. Si ils avaient été construit à la surface, certaines particules pourraient pénétrer dans les tubes et fausser les mesures des détecteurs.  100 mètres est une distance raisonnable pour absorber la quasi-totalité des particules rapides issues du ciel. Vous vous demandez probablement ce que sont ces particules rapides, elles peuvent être des rayons X ou gamma venus du Soleil ou encore de beaucoup plus loin d'une supernova.

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Le tunnel mesure plusieurs mètres de diamètre mais les tubes ou circulent les particules rapides n'excèdent pas quelques centimètres. Ces tubes sont d'ailleurs composés du vide quasi absolu puisque la pression y est inférieure à celle que l'on trouve dans l'espace interstellaire. Les particules sont accélérées grâce au champ magnétique ultra-puissant de 8 Tesla. A titre de comparaison, le champ magnétique terrestre est de l'ordre du millitesla, et il suffit à faire bouger l'aiguille d'une boussole dont la masse est de l'ordre du gramme. Imaginez alors l'accélération subie par des particules chargées dont la masse n’excède jamais le milliardième de kilogramme.

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On voit ici la composition du tube du LHC. Il est composé de plusieurs conduit dont un ultravide ou circulent les particules rapides. Les autres servent à la circulation de l'hélium liquide, on y voit également les électroaimants qui sont actuellement désactivés car le technicien ne ferait pas long feu.

Ces aimants sont en réalité des électroaimants, c'est à dire que leur champ magnétique est généré par des impulsions électriques. Seulement, l'intensité du courant nécessaire pour créer un champ magnétique de 8 Tesla est tellement élevée que les aimants fondraient à température ambiante, c'est pourquoi ils sont refroidis à une température de 1,9 Kelvins c'est à dire très proche du zéro absolu et ce grâce à un flux d'hélium liquide.

Il faut également savoir que les collisions réalisées ne se font absolument pas particule par particule. Imaginez la précision qu'il faudrait avoir pour que deux particules se choquent sachant qu'elles ont été envoyées chacune dans une partie du LHC. Ce sont en réalité des flux de particules qui sont émis et qui contiennent plusieurs milliards de particules. Le flux de particule est accéléré dans les différents anneaux d'accélération pendant une durée moyenne de 20 minute et, lorsque sa vitesse a atteint les  0,999999991% de la vitesse de la lumière (pour les protons) soit une énergie de 7 TeV (à cette vitesse, un atome qui vous choquerait vous donnerait la sensation d'être entré en collision avec un moustique), le flux est coupé en deux, une partie part dans un premier sens dans le LHC et l'autre partie part dans l'autre sens dans le collisionneur. Ensuite, on laisse les particules se choquer et on regarde sur les détecteurs les éventuelles nouvelles particules. 

Comment détecte t-on une particule ?

Il faut savoir que les détecteurs reçoivent une quantité gigantesque de données en très peu de temps. Chaque expérience engendre un flux de données de 15 pétaoctet soit 15 millions de Gigaoctets, soit l'équivalent de 15 000 disques dur de 1000 Go chacun. Le tri des données reçues est réalisé par des supercalculateurs et croyez moi, ce n'est pas une mince affaire.

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Il existe toute une panoplie de détecteurs qui remplissent différents rôles au cours de la collision ou simplement de l'accélération des particules. Cependant, le LHC est en particulier doté de 4 grand détecteurs ALICE, ATLAS, CMS, LHCb dont les rôles sont cruciaux pour la détection des nouvelles particules.

Voici une coupe du détecteur ATLAS

Voici une coupe du détecteur ATLAS

Intéressons nous au détecteur ATLAS afin de comprendre le fonctionnement général d'un grand détecteur au LHC. Ce détecteur a une structure cylindrique pour un diamètre de 22m, 40m de long et un poids plume de 7 000 Tonnes. Il est structuré par différentes couches concentriques qui chacune arrête différentes particules.

  • La première couche s'appelle le détecteur interne est est composée d'un trajectographe (détecteur de traces) qui permet de suivre la trajectoire des particules dès leur formation.
  • La seconde couche est un calorimètre électromagnétique qui détecte les photons et mesure l'énergie de ceux-ci.
  • Cette couche est enveloppée par un calorimètre hadronique qui détecte les hadrons (protons et neutrons par exemple) et mesure également leur énergie.
  • Enfin, nous avons le détecteur de muons qui comme son nom l'indique détecte les muons ainsi que leur énergie.

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L'ensemble des particules sont détectées grâce à leurs interactions avec les matériaux composant les détecteurs. Je ne détaille pas cette partie car ceci est un article, pas un manuel de physique. Je vous assure qu'il y a énormément à dire sur les détecteurs de particules.

Les détecteurs présentés ici ne sont conçus que pour détecter les particules connues. Mais alors, comment peut-on détecter la présence d'une nouvelle particule lors d'une collision ?

C'est très simple, on utilise ce que l'on appelle en physique le principe de conservation de l'énergie. Il doit y avoir autant d'énergie avant le choc qu’après le choc. En conséquence, si les détecteurs mesurent une énergie inférieure à celle annoncée, il y a de fortes chances que la raison soit qu'une particule n'a pas été détectée par les détecteurs. On peut alors mesurer son énergie et parfois sa masse, c'est le cas du neutrino par exemple.

De manière générale, les nouvelles particules ne se manifestent pas directement aux détecteurs. On les repère grâce à l'étude du comportement des particules connues de la collision.

Voici une simulation de collision en 3D entre particules. L'ensemble des lignes présente les directions prises par les nouvelles particules. C'est en les étudiant que l'on peut annoncer la présence d'une  nouvelle particule.

Voici une simulation de collision en 3D entre particules. L'ensemble des lignes présente les directions prises par les nouvelles particules. C'est en les étudiant que l'on peut annoncer la présence d'une nouvelle particule.

L'avenir du LHC

Le LHC a permis de très nombreuses avancées scientifiques au cours des dernières années, notamment avec la découverte du célèbre boson de Higgs qui a valu le prix Nobel à son auteur. Cependant, les physiciens voient les choses en plus grand et songent à construire d'ici une vingtaine d'année un anneau circulaire encore plus grand que le LHC baptisé le FCC (Futur Collisionneur Circulaire) dont la circonférence pourrait atteindre les 100 km de long soit 4 plus grand que le collisionneur actuel. L'énergie des particules atteindrait alors les 100 TeV soit 14 fois plus que le LHC. Des collisions aussi énergétiques permettraient alors de dévoiler toute une myriade de particules inconnues jusqu'alors et extrêmement énergétiques qui pourraient apporter des réponses à de nombreuses théories basées sur les particules.

En pointillé se trouvera probablement le nouvel anneau de collision FCC

En pointillé se trouvera probablement le nouvel anneau de collision FCC

Vous l'avez constaté, le LHC est un instrument extrêmement compliqué et nous venons à peine d'effleurer ses principes de fonctionnement. Si vous souhaitez connaitre en détail le fonctionnement du LHC ainsi que les enjeux qui sont liés mais également en connaitre un peu plus sur les différentes théories des particules élémentaires et sur la cosmologie le tout en relation avec l'accélérateur de particules, alors je vous conseille vivement "L'aventure du Grand Collisionneur LHC : Du Big Bang au Boson de Higgs" de Denegri Daniel.

Ce livre constitue une bonne introduction à la physique du LHC et à son fonctionnement, si cet instrument vous fascine, je vous le recommande vivement.

Vous l'aurez compris, le LHC nous réserve de nombreuses surprises pour l'avenir et maintenant en lisant les "news du LHC" vous comprendrez mieux de quoi parlent les auteurs et saurez déceler le charabia des informations pertinentes car ce bijoux de technologie est très souvent sujet à des articles creux uniquement destinés à faire parler les gens. 

Si vous avez aimé cet article, n'hésitez pas à me le faire savoir. Si il est trop long, dites le moi également je veux savoir si la longueur de l'article est correcte. Dans tous les cas, partagez cet article tout autour de vous afin que tout le monde en connaisse plus sur le LHC et surtout n'hésitez à le commenter et à me dire si j'ai raconté des conneries. Au besoin, je me corrigerai.


A propos Loann Brahimi

Je suis étudiant en Master Cosmos, Champs et Particules à l'université de Montpellier. Ce blog est une manière de transmettre ma passion, une façon d'aider ceux qui voudraient faire de la physique leur gagne pain et de créer un engouement autour de cette science mal comprise.


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3 commentaires sur “Tout sur le LHC

  • crozat caroline

    Bonjour, je suis passionnée depuis seulement un an de manière "suivie" par la physique des particules et le cosmos. Humblement évidemment. Merci pour vos articles car ils me permettent un pont entre des livres difficiles pour moi ( formation littéraire ) et moi. Continuez. C'est important. Vous êtes très pédagogue et c'est un plaisir de lire vos articles. Je suis en contact avec Étienne Klein et ai eu droit à ma première conférence au CEA de Vanhove( peut on détecter le graviton ? ). Merci.Merci.Merci. Vous faites des études passionnantes. Moi, je commence epistemologie auto didacte (ai des soucis avec les structures scolaires). Je vous souhaite plein de bonnes choses. Cordialement, Caroline

    • Loann Brahimi Auteur du billet

      Merci beaucoup ! C'est avec plaisir que je continuerai à écrire des articles de physique et qui plus est dans le domaine de la physique des particules, domaine dans lequel je voudrais percer. La physique est une science passionnante et vous y intéresser vous apportera énormément de choses en termes de connaissances comme en termes de reflexion personnelle. Je vous souhaite également une bonne continuation et une excellente réussite dans le domaine de l'épistémologie 🙂