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LHC, le guide

Vous pouvez également dès à présent consulter le Guide du LHC (pdf) qui répertorie les grandes questions que vous pouvez vous poser sur le LHC.

Foire aux questions du Cern

Si vous parlez anglais, rendez-vous sur la foire aux questions du Cern.

La physique au LHC

Le boson de Higgs et la masse

Qu’est-ce que le boson de Higgs ? Quel rapport avec "particule de Dieu" ?

La particule qui porte aujourd’hui le nom de boson de Higgs n’a encore jamais été observée. Imaginé en 1964, le boson de Higgs, s’il est découvert, serait une pièce manquante cruciale du puzzle que représente le modèle utilisé par les physiciens pour décrire les particules élémentaires et leurs interactions : le modèle standard. Le boson de Higgs n’a rien à voir avec Dieu. Il s’agissait seulement d’un terme accrocheur pour illustrer l’effet omniprésent du champ de Higgs et son importance dans la détermination de la masse.
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Que se passera-t-il si le boson de Higgs n’est pas observé ?


Commençons par une évidence : si le Higgs n’était pas observé, cela
signifierait très probablement que la solution proposée par Peter Higgs,
Francois Englert et Robert Brout n’est pas exacte. Le Modèle Standard
resterait intéressant et utilisé puisqu’il permet de décrire avec grande
précision le comportement des particules élémentaires cependant, à grande
énergie, on observerait des désaccords entre les prédictions basées sur ce
modèle et les résultats expérimentaux. Un champ de recherche très
intéressant s’ouvrirait : comprendre les désaccords et trouver de nouvelles
solutions.

En réalité, le défrichage de ce champ de recherche à déjà commencé puisque des chercheurs proposent des alternatives à la solution du boson de Higgs. Pour certains physiciens comme Stephen Hawking par exemple, le boson de Higgs n’existe pas en tant que particule élémentaire mais bien en tant que particule composée. Pour d’autres, il n’existe pas un seul mais plusieurs bosons de Higgs (c’est le cas dans les théories supersymétriques par exemple). Pour d’autres encore, le boson de Higgs n’existe pas et la solution consisterait à travailler dans un espace à cinq dimensions ou plus...

L’enjeu de la recherche du boson de Higgs, ce n’est pas seulement de démontrer l’existence ou non de cette particule mais aussi de trancher entre les différentes alternatives possibles dans le but de préciser notre
connaissance et de comprendre les comportements à très grande énergie qui peuvent se produire dans des phénomènes cosmiques tels que le Big Bang par exemple.

Pour en savoir plus, vous pouvez lire le dossier spécial boson de Higgs dans la revue "les défis du CEA" de janvier 2008.

Comment les bosons de Higgs (ou les muons qui en sont issus) pourront-ils être détectés ? Le seront-ils de la même façon que pour les particules chargées dans une chambre multifils ?


Réponse sur la foire aux questions "détection"

Vos recherches sur la "masse" pourraient-elles déboucher sur la maîtrise de celle-ci ?


Le programme scientifique du LHC vise à parfaire notre connaissance de la matière, à l’échelle des particules. Un des problèmes théoriques qui se posait était que la théorie, pour respecter des symétries fondamentales de la Nature, devait admettre que les particules transportant les forces n’avaient pas de masse et que les expériences prouvaient le contraire pour les particules de l’interactio. faiBle/ L’introduction du boson de Higgs (aussi proposée par Brout et Engler, deux physiciens Belges) permet, en acceptant de briser une symétrie mineure, de faire apparaître cette masse dans les équations de la théorie. La mise en évidence du boson de Higgs par le LHC permettra d’en mesurer la masse, et donc de compléter la théorie pour lui permettre éventuellement de faire de nouvelles prédictions. Il s’agit de recherche fondamentale, dont le but est la connaissance pure. Mais il est clair que sans cette connaissance il est illusoire de penser à une maitrise du sujet qui permette des applications.
Aussi l’antigravitation reste actuellement dans le domaine de la science-fiction, mais si elle rentre un jour dans le domaine de la science, la connaissance que l’on aura eu avec le LHC servira certainement, mais devra être complétée par d’autres connaissances dont on n’a pas encore idée.

L’antimatière

L’antimatière c’est quoi ?


L’antimatière est faite de particules qui ont des propriétés égales mais opposées à celles qui composent la matière de tous les jours. Pour les particules, certaines propriétés comme la charge électrique sont opposées. Quand une particule est positive, son antiparticule est négative et vice versa. De plus, particules et antiparticules s’annihilent quand elles se rencontrent, dans une bouffée d’énergie.
En savoir plus :
"Vous avez dit antimatière ?"

Comment l’antimatière est-elle fabriquée au Cern ?


L’antimatière est fabriquée, dans les collisions de particules, quand un boson (photon, W, Z, gluon) se désintègre en une paire particule-antiparticule. Les seules particules d’antimatière qui soit stables sont le positon, anti-électron, et l’antiproton. Les autres se désintègrent très vite. Il y a au Cern en ensemble d’accélérateurs qui produit des antiprotons, puis les canalise et les amène à la même vitesse, puis les ralentit pour des expériences de physique atomique sur l’antimatière.

Au Cern, les protons d’une énergie de 26 GeV (soit environ 30 fois leur masse au repos) entrent en collision avec des noyaux atomiques à l’intérieur d’un cylindre en métal appelé cible. Environ quatre paires de protons-antiprotons sont produites après un million de collisions. On sépare les antiprotons des particules à l’aide de champs magnétiques avant de les acheminer vers le Décélérateur d’antiprotons qui va les faire ralentir de 96 % à 10 % de la vitesse de la lumière. On les injecte ensuite dans les tubes des détecteurs où l’on va pouvoir les capturer et les stocker.
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Comment l’antimatière est-elle stockée ?


Il est très difficile de stocker l’antimatière. Dès qu’une particule et son antiparticule se rencontrent, elles s’annihilent immédiatement : leur masse se transforme en énergie pure. Pour stocker les antiparticules, on doit donc les isoler des particules.
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L’antimatière peut-elle être utilisée comme source d’énergie ?)


Malheureusement, l’antimatière ne peut pas être utilisée comme source d’énergie. En effet, si l’annihilation de la matière et de l’antimatière produit de l’énergie, l’antimatière n’existe pas dans la nature : elle doit être créée, ce qui nécessite beaucoup d’énergie. Quant à son stockage, il demande lui aussi une quantité importante d’énergie.
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Est-il possible de fabriquer une bombe à partir de l’antimatière ?


Non. Lorsque l’antimatière entre en contact avec la matière, elle s’annihile : la masse de la particule et celle de son antiparticule se transforment en énergie pure. L’annihilation matière-antimatière pourrait en théorie être utilisée à grande échelle à des fins destructrices.
Cependant, il est impossible de créer assez d’antimatière pour l’utiliser dans une bombe. Elle ne pourrait pas non plus être transportée : pour pouvoir stocker une quantité significative d’antimatière, les pièges devraient être gigantesques et nécessiteraient énormément d’énergie pour fonctionner. (CERN)

Pourquoi étudiez-vous seulement les quarks b et antiquarks b dans l’expérience LHCb ?


Réponse sur la foire aux questions des "expériences".

La matière noire et la supersymétrie

Est-il vrai que si, comme le souligne Richard Jacobsson du Cern, la matière noire n’existait pas, les amas de galaxies seraient immobiles ? Pourquoi la matière noire existe-t-elle et pourquoi l’Univers serait-il différent sans elle ?


Ce que dit Richard Jacobsson est exact : galaxies et amas ne bougeraient pas de la façon dont nous le voyons : les vitesses de rotation des étoiles dans les galaxies et des amas de galaxies entre eux sont beaucoup trop rapides pour être expliquées par la seule gravitation. Sans matière noire, ces rotations devraient être plus lentes. L’hypothèse de la matière noire remonte à l’astrophysicien Zwicky, mais ce n’est que plus tardivement que cette hypothèse est devenue très acceptée. En effet d’autres observations ont également besoin de la matière noire : taux de formation des objets primordiaux (premières étoiles, premières galaxies), mirages gravitationnels et cisaillements gravitationnels par exemple.
Sans la matière noire, nous ne comprendrions pas les observations actuelles. Il existe des modèles sans matière noire, mais qui font des hypothèses autres sur l’univers, qui n’ont pas été confirmées. Les autres modèles peinent à expliquer les phénomènes expliqués par la matière noire, mais n’ont sans doute pas dit leur dernier mot. C’est un domaine très actif de la recherche fondamentale. La découverte de particules ayant les propriétés requises pour être la matière noire serait un grand pas dans la compréhension de beaucoup de phénomènes.
voir la vidéo en question : Le LHC en 10 minutes (à 4’45")

Le Big-bang

Allez-vous reproduire le Big-bang ?


Non, on ne va pas « reproduire » le Big-bang car cela sous-entendrait que l’on dispose de toute l’énergie de l’Univers. On va seulement créer des conditions physiques de température (ou d’énergie, ce qui est équivalent), et de pression (ou de volume) similaire à celles qui ont prévalu à un instant très proche du Big-bang, instant qui ne peut être défini physiquement car il s’agit de ce qu’on appelle en mathématiques, d’une singularité. Plus on remonte dans la première seconde de l’Univers, plus haute est l’énergie des particules. On estime ainsi qu’on recréera, à l’échelle de quelques particules, les conditions existantes 10-25 secondes après la singularité, autant dire pendant le Big-bang si tant est que le mot "pendant" a un sens. En effet dans ces conditions de densité, les lois de la relativité générale disent que le temps est extraordinairement ralenti… Mais il est important de vérifier si les lois connues de la mécanique quantique et les prédictions du modèle standard de la physique des particules sont toujours vérifiées, et si ce n’est pas le cas comment elles doivent être modifiées.

Le LHC pourra t-il conforter la théorie du Big-bang ?"


Le LHC n’a pas pour but de conforter ou d’infirmer le Big-bang, qui est un modèle cosmologique établi à partir d’observations astronomiques. Les résultats du LHC permettront de mieux calculer ce modèle et éventuellement de le rendre plus prédictif.

Autres questions

Une fois le projet définitivement lancé, les résultats pourront peut-être permettre de faire quelques estimations concernant l’au-delà du Mur du Planck ?


Question très pertinente, mais qui nécessite une réponse très compliquée... Pour faire court : pour atteindre la limite de Planck, il faudrait aller à des énergies de 1019 GeV environ, où la gravitation devient aussi forte que les autres forces. C’est très au-delà du LHC, et même des rayons cosmiques les plus énergiques jamais observés sur Terre (vers 1012 GeV). Il reste cependant une possibilité dans le cadre des théories à dimensions cachées. Dans ce cas la faiblesse de la gravitation s’explique par son « passage » dans les autres dimensions, et il pourrait y avoir des manifestations de cette force aux énergies du LHC. Dans ce cas, le LHC permettrait effectivement de donner des indications sur ce qui se passe au-delà du mur de Planck. Mais c’est encore très spéculatif.

La gravitation peut-elle être due à un boson ?


Il faut d’abord savoir ce que l’on appelle par boson : dans le cas des particules élémentaires - parce qu’il existe ce que l’on appelle des "bosons composites", les bosons sont les intermédiaires des interactions fondamentales :

  • le photon pour l’interaction électromagnétique
  • les bosons Z et W pour l’interaction faible,
  • les gluons (il y en a huit) pour l’interaction forte.

Si l’interaction gravitationnelle est une interaction comme les trois précédentes, c’est à dire lorsque l’on décrit la gravitation dans le cadre du Modèle Standard, cette interaction se manifeste forcément par l’intermédiaire d’un boson et alors, oui, la gravitation est due à un boson : le graviton, que l’on n’a encore pas pu mettre en évidence... C’est ce que tentent de trouver des expériences géantes en Italie (expérience VIRGO), ou aux USA (expérience LIGO) : on tente de détecter des gravitons générés lors des effondrements gravitationnels de supernovae.
Mais certains théoriciens se posent la question de savoir si la gravitation doit être décrite comme une force (auquel cas le graviton doit exister) ou comme une propriété de l’espace. Et dans ce dernier cas, il n’y aurait pas besoin de graviton...

La question reste donc ouverte...

L’accélérateur

Carte d’identité du LHC

Accès rapide :
HISTORIQUE -
LIEU -
COÛT

Je voudrais en savoir plus sur l’ancêtre du LHC.


Le prédécesseur du LHC, du point de vue des résultats attendus et des expériences, c’est le LEP, un accélérateur d’électrons/positons situé dans le même tunnel que le LHC. Il y a eu tellement de générations d’accélérateurs que leur histoire serait trop longue à narrer ici.

Pour en savoir plus vous pouvez lire :

  • "Qu’est-ce que le LEP ?" sur le site du Cern
  • ces articles de la revue Élémentaire
    • "Les premiers accélérateurs" (pdf)
      - "Les débuts des accélérateurs linéaires et circulaires" (pdf)
      - "Du cyclotron au synchroton" (pdf)
      - "Le développement des accélérateurs linéaires" (pdf)
      - "Les collisionneurs : révolution dans les accélérateurs de particules" (pdf)

Pourquoi le LHC et avant lui le LEP, sont-ils si grands ? Et pourquoi furent-ils construits à 100 mètres sous la Terre ?


Comme vous le mentionnez, le LHC a été construit dans le tunnel du LEP, et c’est le LEP qui a défini sa taille. Il s’agissait de faire tourner des électrons et des positons, et non des protons. La technologie des aimants permettait un accélérateur plus petit, mais les pertes par radiation des électrons lorsqu’ils tournent, (appelées rayonnement de bremstrahlung dans le jargon des physiciens, ou rayonnement de freinage), lorsqu’ils tournent sont beaucoup plus grandes que pour les protons. L’électron est deux mille fois plus léger que le proton, et l’énergie perdue dans les déflexions est proportionnelle à la masse à la puissance -3 : les électrons perdent donc 20003 (soit 8 milliards) de fois plus d’énergie que les protons dans un champ donné. Pour limiter cette perte, qui doit être compensée à chaque tour par les cavités accélératrices, on a fait un anneau ou le rayon de courbure est le plus grand possible. La limitation du LEP venait en fait de la puissance des cavités accélératrices : la première étape du LEP s’est faite à 100 GeV, avec des cavités « chaudes », de 89 à 96. Puis des cavités supraconductrices ont été introduites, ce qui a permis de monter à 200 GeV.

Le tunnel a été construit en profondeur car l’emprise nécessaire au sol pour le faire en surface rendait le projet impossible : le Pays de Gex est agricole, certes, mais très résidentiel maintenant. Creuser un tunnel permettait de limiter l’impact sur l’environnement et fournissait un blindage naturel.

Le LHC a donc été dimensionné dans le tunnel, et l’énergie déterminée par les buts de physique essentiellement, en allant à la limite de ce qu’on sait faire comme aimant de courbure : le perte d’énergie des protons par radiations est très faible, même si leur énergie sera 100 fois plus grande que celle des électrons du LEP.

Qui est l’inventeur du LHC ?


On ne peut donner un nom pour « l’inventeur » du LHC, sinon de dire que c’est le Cern qui l’a inventé. Le LHC est un accélérateur géant qui succède à d’autres accélérateurs de plus en plus grand. On peut citer les chefs de projets qui ont dirigé la conception ou la construction, mais tout est le résultat du travail d’équipes. Pour décider que l’accélérateur, que les physiciens demandaient, serait supraconducteur, il a fallu des travaux de validation de l’idée, qui ont été menés au Cern et dans différents laboratoires européens. Les spécialistes ont rendu des rapports, la direction du Cern a suivi leurs recommandations et a demandé au Conseil du Cern, qui comprend les représentants des états membres, d’approuver le projet. C’est en dernier ressort ce conseil, et donc les pays européens, qui sont à l’origine du LHC.

Lire également :

Existe-t-il un plan détaillé des communes où passe le LHC ? Le LHC passe-t-il sous la ville de Saint-Genis-Pouilly (01) et aux environs ?


Oui, le LHC passe sous Saint-Genis Pouilly. C’est d’ailleurs sous cette ville que ce trouve le point "2" de collision autour duquel a été construit le détecteur Alice.

Le Cern a créé un site spécialement pour les "voisins" du LHC. Votre commune abrite-t-elle un site du Cern ? Cliquez sur la carte pour le savoir.

Pour visualiser le parcours du LHC sur une carte, vous pouvez aussi télécharger le module spécial pour Google Earth. Voir des détails ici.

Combien a coûté le LHC ?


Pour des données officielles et mises à jour, nous vous recommandons de vous reporter au Guide du LHC (pdf), page 17.

Fonctionnement et technologie de l’accélérateur

Comment les particules du LHC sont-elles accélérées ?


Voici un premier élément de réponse : les accélérateurs utilisent des champs électriques pour accélérer les particules, qui sont électriquement chargées. Les aimants servent à guider les particules, pas à les accélérer, mais c’est la partie la plus importante de l’appareil : les particules parcourent une boucle de 27 km mais ne sont accélérées, à chaque tour, que dans une zone d’une dizaine de mètres.
Pour plus d’information :

  • vous pouvez conwultep ses pages du Cern (ici et )
  • vous pouvez lire ces articles de la revue Élémentaire
    • "Les premiers accélérateurs" (pdf)
      - "Les débuts des accélérateurs linéaires et circulaires" (pdf)
      - "Du cyclotron au synchroton" (pdf)
      - "Le développement des accélérateurs linéaires" (pdf)
      - "Les collisionneurs : révolution dans les accélérateurs de particules" (pdf)

J’ai lu que dans le LHC deux faisceaux de protons circulent en sens inverse. Comment dans un champ magnétique donné deux particules de même signe peuvent-elles parcourir la même trajectoire en sens inverse ? L’un de ces faisceaux serait-il un faisceau d’antiprotons ?


Vous avez parfaitement raison, si on met les deux tubes dans le même champ magnétique, les faisceaux ne peuvent circuler. C’est pourquoi les aimants sont un peu plus compliqués que cela. En fait #haquE &"171; aimant dipôle » de 15 mètres de long et 35 tonnes contient deux aimants : les deux tubes qui traversent la culasse ont chacun un bobinage et ces deux bobinages sont inversés, pour que les champs magnétiques vus par les faisceaux soient inversés. C’est pour supporter les énormes forces entre ces deux bobinages que le tout a été bloqué dans une culasse de fer.

Ce sont donc bien deux faisceaux de protons qui circulent. L’ancien accélérateur du Cern, le SPS, avait fait rentrer en collision des protons avec des antiprotons, et cela avait pu être fait avec des aimants standard, les deux faisceaux circulant dans le même tube à vide, comme au Tevatron à Fermilab près de Chicago.

Le détail des aimants peut être trouvé dans les descriptions techniques sur le site du Cern, nous ne voulions pas entrer trop dans les détails sur le site lhc-france.

Quelle est la différence entre un accélérateur à fonctions séparées et un accélérateur à gradients alternés ? À quelle catégorie appartient l’accélérateur du LHC ?


Un accélérateur à fonctions séparées est une machine où les éléments magnétiques sont conçus pour n’avoir qu’une composante magnétique principale. Ainsi, il y a les dipôles (champ B constant) pour courber le faisceau, les quadripôles (champ magnétique variant linéairement avec la position) pour focaliser, les hexapôles (champ magnétique variant quadratiquement avec la position) pour corriger certaines aberrations, etc... L’avantage de ce genre de structure est de donner plus de degrés de liberté et de séparer les différentes fonctionnalités d’où son nom. Ainsi, le LHC appartient à cette famille d’accélérateurs.

Néanmoins, il est possible de réaliser des éléments magnétiques avec plusieurs composantes pour le champ. Par exemple, un dipôle peut à la fois avoir un champ principal en B et une composante variant linéairement avec la position en ayant un bobinage particulier ou des électrodes inclinées et non plus parallèles. On dit alors que l’élément est à fonctions combinées et il y a un gradient sur le champ. L’avantage est de réduire le nombre d’éléments mais le réglage est plus délicat. Comme pour de tels éléments magnétiques, si le champ est focalisant dans le plan horizontal, il est défocalisant dans le plan vertical, il est nécessaire d’alterner le signe de ces gradients afin d’avoir une structure stable dans les deux plans. C’est pourquoi ce genre de machines est dit à gradients alternés.
Comme accélérateurs à gradients alternés, je peux vous citer AGS (Alternating Gradient Synchrotron) situé à Brookhaven (à Long Island au USA) et le Proton Synchrotron (PS) au CERN construits dans les années 50.
Actuellement, il y a un regain d’intérêt pour les machines à gradients alternés avec les FFAG (Fixed Field Alternating Gradient). L’intérêt de ce type de machines est de rester à champ fixe durant l’accélération contrairement aux synchrotrons, ce qui permet une accélération beaucoup plus rapide. Ce type de machine est donc très intéressant pour accélérer des particules à très faible durée de vie comme les muons. Le premier accélérateur de ce type est le MURA (Midwestern Universities Research Association) construit dans les années 50. Actuellement, de ce type, il y a PoP-FFAG (Proof Of Principle) au Japon ou le projet EMMA en Grande-Bretagne.

Comment traduire l’expression anglaise "upper stage booster" ?


L’expression que voue citez correspond à un pré-accélérateur de début de chaîne, ou de premier niveau. Chaque accélérateur fait monter les particules d’une énergie minimale à une énergie maximale. Il y a donc des premiers accélérateurs pour alimenter les plus gros.

Lors du lancement du premier anneau avez vous prévu de faire une mesure de la modification éventuelle de la pesanteur à l’axe du site ? Cette mesure serait-elle plus significative si, changeant votre procédure de mise en route du LHC, vous poussiez un seul faisceau à pleine puissance avant de lancer le second ?


Ce type de mesure n’a pas été envisagé. Les calculs de relativité générale pour ce type de phénomènes montrent que ce n’est absolument pas mesurable, il s’en faut de nombreux ordres de grandeurs. Entre la masse de la Terre qui crée notre pesanteur, et la masse des protons circulant dans les faisceaux, il y a un facteur supérieur à 1035. L’accroissement de masse dû à la vitesse est de l’ordre de 103 seulement.

Le VIDE : J’ai lu que le tube contenant le faisceau du LHC était « ultra-vide ». Mais avez-vous les capacités de créer le vide absolu (c’est à dire avec aucune molécule) dans un espace donné ? Sinon, pourquoi ?


Il est impossible de créer un vide « absolu » et ce pour plusieurs raisons. En pratique, plus la pression d’une enceinte – par exemple l’un des tubes du LHC dans lesquels circulent les protons – est faible, plus il est difficile de la diminuer encore. À très basse pression, les techniques de « pompage » deviennent complexes tandis que des phénomènes physiques importants dans ces conditions extrêmes tendent à réintroduire des molécules et donc à augmenter la pression.

L’aspirateur est un exemple simple de pompe à vide. Une turbine met l’air en mouvement dans l’appareil et le pousse vers l’extérieur. La pression diminuant, un courant d’air dirigé de la pièce vers l’aspirateur apparaît : lorsque deux volumes dont les pressions différent sont mis en contact, des molécules sont transférées de la zone de haute pression vers celle de basse pression jusqu’à ce que les deux valeurs s’égalisent. La poussière, légère, est emportée avec l’air et retenue par un filtre dans l’aspirateur. Tant que la turbine fonctionne, le va-et-vient de l’air se poursuit.

Si un aspirateur était utilisé pour pomper l’air d’une enceinte fermée, il pourrait réduire la pression d’environ 20% – le point d’équilibre où le flot d’air sortant généré par la turbine est exactement compensé par l’appel d’air de l’extérieur vers l’aspirateur dû à la différence de pression. Pour aller au-delà, différents systèmes sont utilisés, le plus souvent simultanément ou l’un après l’autre. En effet, chaque type de pompe est efficace dans une gamme de pressions donnée et a des limitations qui lui sont propres.

Une technique pour obtenir un vide simple (dit « primaire », jusqu’à un millième de la pression atmosphérique) consiste à répéter un grand nombre de fois le cycle suivant :

  1. La taille d’une cavité en communication avec l’enceinte où l’on veut faire le vide est augmentée. Du gaz y rentre pour rééquilibrer les pressions entre la cavité et l’enceinte.
  2. Cette cavité est ensuite isolée de l’enceinte, par exemple en fermant hermétiquement une vanne.
  3. On ventile alors la cavité avant de rétrécir son volume, de l’isoler à nouveau de l’extérieur et de rétablir la communication avec l’enceinte. On repart alors à l’étape 1.

La respiration est basée sur le même principe : à chaque inspiration, le diaphragme se contracte ce qui induit une augmentation du volume de la cage thoracique et donc des poumons dans lesquels la pression diminue. De l’air frais en provenance de l’extérieur y est donc attiré.

Pour obtenir un vide plus poussé (jusqu’à un dix-milliardième d’atmosphère environ), on utilise des pompes turbo-moléculaires ou à diffusion : le gaz est accéléré et poussé hors de l’enceinte à vide par des hélices tournant à grande vitesse ou des jets de fluides denses comme du mercure. Il est évacué via un volume où règne déjà un vide primaire. Enfin, l’ultravide nécessite des pompes qui piègent les molécules de gaz résiduelles sous forme solide, soit en les faisant geler, soit en les faisant précipiter au moyen d’une réaction chimique, soit en les ionisant et en capturant les ions produits sur un substrat. Ces pompes doivent être régénérées périodiquement pour éviter leur saturation et la perte de leur pouvoir absorbant.

Voyons maintenant rapidement quels sont les phénomènes qui mènent la vie dure aux « Shadocks » chargés de pomper pour faire le vide dans une enceinte. Le plus évident est la « fuite de vide ». Les forces qui agissent sur une paroi séparant deux milieux dont les pressions sont très différentes sont considérables – pour vous en convaincre, cherchez sur internet un récit de l’expérience « de la sphère de Magdebourg ». Elles déforment donc les matériaux les plus résistants et des micro-trous peuvent apparaître en particulier au niveau des joints qui relient différents éléments : de l’air pénètre alors à l’intérieur du volume pompé. Pour rétablir un vide de bonne qualité, il faut trouver ces trous et les sceller ce qui est rarement simple. Dans un accélérateur, cette quête est compliquée par le fait que le passage des particules agit également sur les tubes et donc que ces micro-trous peuvent se refermer, en partie ou totalement, quand les faisceaux sont arrêtés !

Le dégazage est l’autre problème majeur que doivent résoudre les spécialistes des technologies du vide. Lorsque la pression devient très faible, tous les corps rejettent du gaz. L’effet est le même que s’il y avait une fuite : la densité de molécules augmente et donc la pression. Les accélérateurs – ainsi que les télescopes spatiaux – subissent cet effet dont il est impossible de complètement s’affranchir. Pour le minimiser, il faut choisir avec soin les matériaux utilisés pour construire le système qui sera mis sous vide, en particulier éviter au maximum toute matière d’origine organique (huile, graisse, caoutchouc, etc.). La vapeur d’eau étant le composant principal du dégazage, il faut dessécher chaque pièce, par exemple en la chauffant sous une basse pression pour qu’elle relâche le maximum de gaz possible. Enfin, il est important que l’ensemble du système soit très propre : l’assemblage se fait souvent dans une « salle blanche », une pièce protégée de l’atelier où le taux de poussière par unité de volume est contrôlé et maintenu faible. L’air y est renouvelé en permanence et on y rentre vêtu d’une combinaison protectrice.

À ces obstacles techniques qui empêchent la réalisation pratique d’un vide absolu, il convient d’ajouter d’autres éléments imposés par la Nature. Ainsi, les observations de satellites montrent que le cosmos est rempli par un grand nombre de photons (environ 410 par cm3) émis environ 380 000 ans après le Big-bang lorsque l’Univers est devenu transparent. C’est le fameux rayonnement de fond diffus cosmologique dont la température est aujourd’hui de -270°C. L’univers contient également de nombreux neutrinos (des particules élémentaires qui interagissent très peu avec la matière et qui sont donc très difficiles à mettre en évidence et à étudier) et peut-être d’autres particules encore à découvrir.

De plus, le vide est le milieu qui offre le moins de résistance aux ondes électromagnétiques qui s’y déplacent à une vitesse de 300 000 km/s. Pour être qualifié d’absolu, il devrait s’affranchir de tous les champs électriques et magnétiques (lesquels véhiculent de l’énergie) ce qui est également impossible. D’autres rayonnements, comme la très mystérieuse énergie noire, baignent très probablement l’Univers qui n’est donc pas aussi « vide » qu’il n’y paraît.

Enfin, la théorie quantique des champs (qui regroupe les lois parfois déconcertantes qui gouvernent le monde de l’infiniment petit) nous apprend que des paires de particules peuvent se matérialiser à partir du vide pendant un très très très … très court instant avant de disparaître. Ce phénomène a été vérifié expérimentalement. Son existence met un terme définitif à l’idée de vide absolu : même s’il était possible d’ôter toutes les particules/molécules d’un volume donné l’espace d’un instant, les « fluctuations quantiques » aléatoires font que ce vide ne serait pas parfait.

Pour conclure, revenons un instant sur le LHC : à quoi sert le vide très poussé qui y est créé ? Dans les tubes « à vide » où circulent les protons, réduire autant que possible la pression permet de diminuer le nombre de chocs entre particules et molécules résiduelles. Les faisceaux sont ainsi plus stables et peuvent être utilisés plus longtemps. De plus, lorsqu’une particule est déviée par une molécule d’air, elle peut frapper la paroi du tube à vide et y déposer de l’énergie ou produire d’autres particules qui se déplacent ensuite de manière incontrôlée dans l’accélérateur. Ces phénomènes, répétés de nombreuses fois en différents points de la machine, peuvent impacter le fonctionnement du LHC ou gêner la prise de données. On les réduit d’autant mieux que la pression est faible : 10-12 (un millième de milliardième) fois la pression atmosphérique dans le tube à vide et encore cent fois moins au niveau des régions d’interaction des expériences où les collisions proton-proton ou plomb-plomb ont lieu. Le volume des tubes à vide est d’environ 150 m3, soit l’équivalent d’un appartement de 60 m2 avec une hauteur sous plafond de 2,5 mètres !

L’autre utilisation essentielle du vide dans le LHC vient de ses propriétés isolantes. Les transferts de chaleur entre deux matériaux qui ne sont pas en contact direct se font par l’intermédiaire de l’air qui se trouve entre eux. Plus la pression est basse, plus ces échanges sont difficiles. Si l’on se souvient que de nombreux composants du LHC (en particulier les aimants qui contrôlent la taille des faisceaux et leurs trajectoires) sont supraconducteurs et ont donc une température de fonctionnement très basse (de l’ordre de -269°C), l’intérêt d’utiliser le vide comme isolant est évident. On peut ainsi minimiser la quantité de chaleur apportée par l’environnement à l’accélérateur. C’est le principe de la bouteille thermos (une double paroi entourant un volume où la pression est très réduite maintient constante la température du liquide stocké dans la bouteille pendant plusieurs heures) reproduit à très grande échelle : les aimants cryogéniques du LHC représentent un volume total d’environ 9000 m3, soit l’équivalent de plusieurs piscines olympiques !

Sécurité au LHC

Dans ce grand collisionneur, des protons vont se rencontrer à une vitesse proche de deux fois la vitesse de la lumière. Ce type de rencontre est-il fréquent dans la Nature, et où ?

S’il est vrai que chaque paquet de proton se précipite à la vitesse de la lumière (dans notre repère) contre l’autre paquet, leur vitesse relative n’est pas deux fois cette vitesse, mais une fois seulement, c’est une des étrangetés de la relativité restreinte : la composition des vitesses ne procède pas d’une addition simple, mais se fait par une formule plus complexe qui fait qu’il ne peut y avoir de vitesse (pour un objet matériel, ou plus généralement pour un support d’information) supérieure à la vitesse de la lumière. C’est pourquoi on préfère parler d’énergie, qui, dans un même repère, s’additionnent : chaque paquet est à 7 TeV, la collision est à 14 TeV.

Ce type de collisions se produit tous les jours dans la nature, car on a détecté des rayons cosmiques qui atteignent des énergies, et donc des vitesses, supérieures à celles mises en jeu dans le LHC. Ces rayonnements sont beaucoup moins fréquents à ces énergies qu’à des énergies plus basses (on mesure leur taux en nombre par km2 et par an) ; mais ils existent... Ils arrivent partout sur Terre, et sont arrêtés dans la haute atmosphère. On n’en détecte que les débris au niveau de la mer. Mais ces milliards de débris arrivent tous en même temps, ce qui permet de les identifier.

Le LHC peut il réellement créer un trou noir et engloutir la terre ?


Soyez rassuré, le LHC ne représente aucun danger. Le Cern prend les questions de sécurité très au sérieux et a publié en 2008 un rapport dont vous pouvez lire le résumé (pdf) et le texte complet (pdf). Ce rapport est fondé sur une étude des risques liés aux nouveaux phénomènes susceptibles d’être produits dans les collisions du LHC, en particulier sur l’hypothèse des micros trous noirs, émise par quelques physiciens. Cette hypothèse est très spéculative, et il est très peu probable que des micro-trous noirs soient créés. Ce qui est sûr en revanche, c’est que même s’ils sont créés, ils ne seront pas dangereux.

En effet, notre conviction vient de l’observation directe d’un phénomène qui a lieu depuis des milliards d’années : le bombardement de la Terre (et des autres planètes) par le rayonnement cosmique. Une fraction de ce rayonnement a des énergies comparables ou supérieures à celle du LHC et pourtant la Terre est toujours là. Cela veut dire notamment que même si des micro-trous noirs sont créés lors de ces collisions, ils seront parfaitement inoffensifs sinon nous ne serions pas là pour en parler...
Nous ne nous fondons donc pas sur la théorie, mais bien sur l’expérience pour affirmer qu’il n’y pas de danger.

Lire également la page du Cern sur le sujet.

Les expériences

Généralités sur les expériences

Quand démarreront les expériences du LHC ?


Le « lancement » du LHC a eu lieu le 10 septembre 2008. Le début à proprement parlé du programme scientifique du LHC, toutes expériences confondues, démarrera le 30 mars 2010, quand auront lieu les premières collisions à haute énergie.
Pour en savoir plus, suivez les actualités du LHC sur ce site.

Je cherche une sorte de « calendrier prévisionnel » des expériences à venir au LHC. Avez-vous déjà planifié les prochaines expériences ?

Il n’y a pas d’information confidentielle de la sorte. Les expériences ne se déroulent pas, sur une telle machine, les unes à la suite des autres : chaque collaboration a bâti son détecteur et les points de collisions ont été construits, et donc tout le LHC, en fonction des expériences approuvées. Il n’est pas prévu qu’un ensemble expérimental en remplace un autre. Chaque collaboration a son programme d’analyse, et va travailler sur toutes les analyses en répartissant les équipes, sujet par sujet. On ne peut donc parler d’un calendrier des expériences.

Le seul calendrier qui est fait, c’est celui des périodes de faisceau (arrêtés par exemple en hiver) qui sont des périodes nécessaires pour la maintenance de la machine. Le deuxième calendrier existant est celui des remplissages, puisque le LHC tourne en accélérant et collisionnant alternativement des protons ou des ions lourds (noyaux de plomb en l’occurrence), et Alice a été conçue pour exploiter au mieux ce mode de fonctionnement. Par exemple, il est prévu environ un mois d’ions de plomb pour la fin 2010 et également fin 2011 dans les deux prochaines années. Ces calendriers sont décidés par des comités rassemblant les ingénieurs responsables de la machine et des représentants des physiciens utilisateurs.

Le début à proprement parlé du programme scientifique du LHC, toutes expériences confondues, démarrera le 30 mars 2010, quand auront lieu les premières collisions à haute énergie. Toutes ces informations seront sur le site web au fur et à mesure de leurs annonces.

Pourquoi les expériences LHCf et Totem ne sont elles pas considérées comme les autres ? Quelle est la différence entre ces expériences et les quatre autres ?


Il en existe même une septième depuis peu, appellée MoEDAL et qui a été approuvé en mars 2010.
Si vous lisez bien sur http://www.lhc-france.fr/spip.php?rubrique3, on parle de Totem et LHCf.
Quelques raisons pour les traiter un peu différemment sur notre site :

  • Ce sont de vraies "collaborations" scientifiques, mais bien plus petites que les quatre autres. En gros, Atlas, CMS et Alice sont de très grandes collaborations, LHCb est une collaboration moyenne (650 personnes), Totem et LHCf sont de très petites collaborations.
  • Le potentiel scientifique de ces deux petites expériences, quoique passionnant, est moins grand que celui des quatre expériences principales du LHC.
  • Totem et LHCf n’ont pas leur propre caverne puisqu’elles se situent de part et d’autre du point d’interaction dans les cavernes respectivement des détecteurs CMS et Atlas.
  • en France, on ne travaille pas sur Totem ni sur LHCf...

À lire sur le site du Cern :

  • À propos de Totem : "L’expérience TOTEM étudie des particules à très petits angles, une partie de la physique inaccessible aux expériences polyvalentes. Entre autres recherches, TOTEM va par exemple mesurer la taille des protons et évaluer précisément la luminosité du LHC."
  • À propos de LHCf : "L’expérience LHCf utilise les particules à petits angles créées à l’intérieur du LHC pour simuler des rayons cosmiques en conditions de laboratoire. Les rayons cosmiques sont des particules chargées provenant de l’espace interstellaire et qui bombardent constamment l’atmosphère terrestre. Arrivées dans la haute atmosphère, ces particules énergetiques percutent des noyaux d’atomes, ce qui produit une cascade de particules au sol."
  • À propos de MoEDAL : "MoEDAL recherchera des objets exotiques très spécifiques tels que les monopôles magnétiques hautement ionisants et les particules supersymétriques massives de charge conventionnelle. Cette expérience est relativement petite, peu coûteuse et d’installation rapide, mais son potentiel de physique est énorme et représentera un réel apport dans le spectre déjà large des domaines explorés par les expériences du LHC."

Pourquoi étudiez-vous seulement les quarks b et antiquarks b dans l’expérience LHCb ?

L’antimatière est fabriquée, dans les collisions de particules, quand un boson (photon, W, Z, gluon) se désintègre en une paire particule-antiparticule. Les seules particules d’antimatière qui soit stables sont le positon, anti-électron, et l’antiproton. Les autres se désintègrent très vite. Il y a au CERN en ensemble d’accélérateurs qui produit des antiprotons, puis les canalise et les amène à la même vitesse, puis les ralentit pour des expériences de physique atomique sur l’antimatière.

Néanmoins les collisions à très haute énergie donnent des paires particules-antiparticules qui sont étudiées par les physiciens, cela fait partie de leur programme de recherche. L’expérience LHCb se concentre sur les quarks b car ce sont des quarks moins bien connus que les autres (c, s..), et il faut vérifier que les prédictions du modèle standard sont bien vérifiées avec eux aussi. L’appareillage est donc adapté aux masses de ces quarks. Mais LHCb verra tous les types de quarks, ils seront utilisés, en vérifiant des résultats connus, pour s’assurer que l’appareillage fonctionne bien.

Voir également la foire aux questions sur "l’antimatière".

Serons-nous informés des découvertes du LHC au fur et à mesure des avancées scientifiques ? Ou devrons-nous attendre plusieurs années que des rapports officiels soient établis ?


Les recherches faites au Cern sont entièrement publiques et les résultats publiés dans les revues scientifiques et annoncés dans des conférences. Régulièrement le Cern et tous les laboratoires impliqués émettent des communiqués de presse à l’occasion des résultats importants. Vous pouvez vous tenir informé par les sites web des grands organismes comme le Cern, le CNRS/IN2P3 et le CEA/Irfu en France. Se tenir informé « au fur et à mesure » nécessite de lire les papiers scientifiques, ce que ne peuvent pas faire les journalistes. Les physiciens essaient de vulgariser leurs résultats, mais cela ne peut être fait au fur et à mesure.
Il n’empêche qu’il faudra quelques années pour que ces annonces aient lieu, en ce qui concerne le LHC : la mise au point des appareillages et les masses de données à accumuler l’exigent. Les chercheurs aimeraient bien pouvoir annoncer des résultats rapidement, mais la Nature ne se laisse pas explorer sans difficultés.

La détection des particules

Que vont détecter les différents détecteurs après une collision proton-proton ? Comment va-t-on pouvoir découvrir et localiser le boson de Higgs ?


L’énergie cinétique mise en jeu dans l’interaction entre deux protons devrait pouvoir se "matérialiser" en une particule de Higgs dans les détecteurs, si elle existe bien-sûr (l’énergie devenant en partie de la masse). La détection du boson de Higgs, comme de toute nouvelle particule, se fait par l’étude de ses produits de désintégrations, qui sont des particules comme les muons, électrons, pions et kaons. Ces dernières sont suffisamment stables pour avoir le temps de traverser les détecteurs mis autour de la zone de collision, des chambres à fils entre autres. Le boson de Higgs a une durée de vie trop courte pour parcourir une distance appréciable depuis le point de collision. Pour le « voir », on étudie les combinaisons de traces correspondant aux prévisions de désintégration, pour voir si dans certains cas ces combinaisons ne correspondent pas à une particule de masse donnée, ce qui « signe » la nouvelle particule.
Pour en savoir plus sur les différents sous-détecteurs, vous pouvez lire notre page dédiée.
Voir également la foire aux questions sur "le boson de Higgs".

Un expert pourrait-il nous expliquer le fonctionnement du système de détection de chaleur dans le détecteur Atlas ?


Vous voulez peut-être parler du "Calorimètre" du détecteur Atlas ? Il ne s’agit pas d’y mesurer de la chaleur, mais l’énergie des particules.
Voici quelques liens pour aller plus loin :

  • Sur notre page "détecteurs"
  • Un article très complet sur la "calorimétrie" en physique des particules dans le N°3 (pdf) de la revue Elémentaire (gratuite et en ligne
    Pour votre information, on trouve des calorimètres dans la plupart des détecteurs de physique des particules.

Informatique et grille de calcul

Vos questions sur l’informatique et la grille de calcul

Vos questions

Pour vous adresser à un expert français du LHC, écrivez-nous.

Retombées technologiques et sociétales

Vos questions sur les retombées du LHC

Quels changement le LHC est-il susceptible d’apporter dans la vie quotidienne ? Quel serait l’impact des découvertes sur la technologie ?


On ne peut dire que le LHC va changer notre vie quotidienne. Il s’agit d’un outil de recherche fondamentale, c’est donc une machine à fabriquer du savoir. Les applications, s’il y en a, ne viendront que plus tard. Ce qui est sûr, c’est qu’on ne peut appliquer des connaissances que l’on n’a pas.

Du côté technologique, le LHC, comme toute la recherche fondamentale, a motivé des développements dans de nombreux domaines : cryogénie, supraconducteurs, électronique rapide, calcul distribué, etc. Le site du Cern développe un peu ces aspects. La Grille de calcul est sans doute un des impacts les plus visibles du LHC.

Même si ce n’était pas le but à l’origine, le Cern, la physique des particules et la physique des accélérateurs en général servent et ont déjà servi à de nombreuses applications. La médecine en est l’une des plus remarquables.
Nous vous invitons à lire ces différents articles :

  • sur le site lhc-france (ne ratez pas la petite vidéo à gauche sur la tomographie par émission de positons ou TEP).
  • Cette page de la foire aux questions sur le site du Cern (en anglais malheureusement).

Le Cern

Vos questions sur le Cern

Existe-t-il un endroit autre que Genève qui présente les détecteurs du LHC ?


Vous trouverez sur le site les noms des laboratoires français qui participent à l’aventure du LHC. Ils ont construit des appareillages, mais ne pourront sans doute pas en montrer, car ces détecteurs sont maintenant au Cern. Il se peut qu’il y ait d’autres détecteurs en construction qui puissent être visités. Il faut s’adresser directement à eux.

Serait-il possible de travailler sur le LHC ?


Votre question est vague... voulez vous travailler au CNRS ? Au CEA ? Au CERN ? Quel est votre niveau de compétence, votre domaine d’activité ? En tout cas, quelques informations :

Pour un emploi

Pour un stage

  • Pour un stage dans un des laboratoires du CNRS/IN2P3 qui travaillent sur le LHC, vous pouvez contacter directement le correspondant de communication concerné dont le mèl est sur cette page : http://www.in2p3.fr/physique_pour_tous/aulycee/visiter.htm (Les laboratoires LHC dans cette liste sont à Paris, Lyon, Marseille, Orsay, Strasbourg, Nantes, Grenoble, Annecy, Palaiseau et Clermont-Ferrand.)

Le site lhc-france.fr

Vos questions sur le site lhc-france.fr

Puis-je télécharger les vidéos de votre site ?


Vous ne pouvez pas le faire vous-même. Les vidéos Cern sont téléchargeables sur leur site, mais l’utilisation est soumise aux droits d’auteurs.
Si vous souhaitez obtenir une vidéo en particulier sur le site LHC-France, en fonction de sa source nous pouvons peut-être vous aider. Mais il vous faut être plus précis.
Dans tous les cas, les droits de diffusion sont réservés, et nous devons savoir à quoi vous serviront ces vidéos.

Votre site n’est pas optimisé pour Firefox sous linux !


Vous avez raison, et nous n’avons pas pu encore nous occuper de ce problème, veuillez nous en excuser. La majorité des visiteurs (+ de 80%) utilisant Internet Explorer, le site a donc été optimisé pour ce navigateur ainsi que pour Firefox sous Mac et Windows. Nous y songerons cela dit pour la prochaine version améliorée du site. Pour Firefox sous linux, une fois la page d’accueil passée, le site est plus lisible.

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