LHC : qu'est-ce que c'est ?

D'une circonférence de 27 kilomètres, le LHC (Large Hadron Collider ou grand collisionneur de hadrons) est le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules du monde. Situé à la frontière franco-suisse, il dépend du Cern. Les premiers faisceaux de particules, des protons, l'ont parcouru le 10 septembre 2008 et les premières collisions se sont produites le 30 mars 2010.

Des faisceaux de proton (allant à 99.999999 % de la vitesse de la lumière) et même d'ions lourds y circulent lorsqu'il fonctionne. Les objectifs du LHC au niveau de la physiquephysique standard sont la détection du bosonboson de Higgs et l'étude du quagma, le plasma de quarksquarks et de gluonsgluons produit par collisions d'ions lourds. La détection du Higgs est nécessaire pour valider complètement le modèle standard électrofaible joint à la QCDQCD. Le quagma est un état de la matièreétat de la matière hadronique que l'on doit trouver dans certaines étoiles à neutronsétoiles à neutrons et dans les tout premiers instants de l'universunivers, son étude devrait être faite avec le détecteur Alice.

Par contre, au niveau de la physique non standard, les possibilités sont vertigineuses !

Les missions du LHC

En premier lieu, c'est la détection des partenaires supersymétriques des particules du modèle standardmodèle standard qui devrait faire l'objet du maximum d'attention, c'est la tâche des détecteur Atlas et CMSCMS. Avec la mise en évidence du Higgs, cela devrait nous donner une clé importante pour la compréhension de la massemasse des particules de l'univers et peut-être aussi la nature de la matière noire. LHCb devrait pouvoir aussi nous renseigner sur la supersymétriesupersymétrie, mais son objectif principal est de comprendre la violation CPviolation CP, capitale pour l'élucidation de l'énigme de l'asymétrie matière/antimatièreantimatière.

En second lieu, la mise en évidence de dimensions spatiales supplémentaires, et même la détection de la création de minitrous noirs, avec Atlas et CMS, fait partie des possibilités les plus excitantes. La théorie des cordesthéorie des cordes pourrait même y trouver une confirmation !

Toutefois, sauf surprises, il faudra probablement attendre fin 2012 pour que le LHC collecte un nombre assez grand de données pour pouvoir tester ces théories encore très spéculatives. 

Quelques chiffres concernant le LHC

• Le Large Hadron Collider est un collisionneur en forme d'anneau de 27 kilomètres de long situé dans un tunnel à environ 100 mètres sous terre, près de Genève ;
• L'énergieénergie totale dans le centre de masse sera de 14 TeV (c'est 7 fois plus élevé que le Tevatron du Fermilab) ce qui permettra de rechercher de nouvelles particules massives jusqu'à m ~ 5 TeV ;
• LuminositéLuminosité  = 10³⁴ cm^-2 s^-1 (c'est plus de 100 fois plus élevé qu'avec le Tevatron du Fermilab). Cela permet la recherche de processus rares ; 
• La fréquencefréquence de révolution est de 11,2 kHz (11.200 fois par seconde).
• Consommation d'énergie : ~ 120 MW ;
• Chaque faisceau de protons à pleine intensité sera composé de 2.808 paquetspaquets de particules (on parle de « bunches » en anglais) ;
• Chaque bunche contiendra 1,15 x 10¹¹ protons ;
• Les bunches sont longs de quelques centimètres mais leur dimension transversale est réduite à 16 micronsmicrons seulement juste avant collision ;
• La longueur totale des câbles supraconducteurssupraconducteurs nécessaire est d'environ 7.600 kilomètres. Chaque câble étant constitué de filaments, la longueur totale des filaments est de 10 fois la distance de la Terre au SoleilSoleil ; 
• Le vide dans lequel circulent les faisceaux de protons est très poussé, seulement  10^-10 torr (~ 3 millions moléculesmolécules/cm³) et ceci afin d'éviter au maximum les collisions avec des molécules de gazgaz. C'est l'équivalent de la pressionpression à une altitude de 1.000 kilomètres. Rappelons que la pression atmosphériquepression atmosphérique est de 760 torr ;
• Les aimantsaimants supraconducteurs du LHC sont refroidis à 1,9 KelvinsKelvins avec de l'héliumhélium superfluidesuperfluide à la pression atmosphérique.
• Le LHC va stocker un faisceau d'énergie de 360 mégajoules environ : 2.808 bunches x 1,15 10¹¹ protons d'une énergie de 7 TeV chacun = 2808 x 1,15 x 10¹¹ x 10¹² x 7 x 1,602 x 10^-19 joulesjoules = 362 MJ par faisceau. Cela peut être comparé à :
  • En énergie cinétiqueénergie cinétique :
    • 1 petit navire de croisière de 10.000 tonnes se déplaçant à 30 km/h ;
    • 450 véhicules de 2 tonnes se déplaçant à 100 km/h.
  • En énergie chimique :
    • L'explosion de 80 kilos de TNT ;
    • La métabolisation de 70 kilos de chocolat (en comptant les caloriescalories) ; l'énergie dans le chocolat est libérée un peu plus lentement que dans l'explosion du TNT !
  • En énergie thermiqueénergie thermique :
    • Ce qu'il faut pour fondre 500 kilos de cuivrecuivre ;
    • Ce qu'il faut pour porter 1 mètre cube d'eau à 85 ° C ou encore préparer 1 tonne de thé.

Pour en savoir plus

• Alice
• Atlas
• CMS
• LHC