Deux accélérateurs en un

Dans le Large Hadron Collider circulent des faisceaux de particules accélérés en sens inverse à des énergies colossales. La plupart du temps, ces particules sont des protons, et environ un mois par an le LHC change de visage : on y fait circuler des ions de plomb.

Le nombre de nucléons étant beaucoup plus important, les collisions de noyaux de plomb qui se produiront au centre d’Alice atteindront des énergies colossales : en effet, puisque le LHC est réglé pour porter l’énergie d’un proton à 7 TeV, l’ion de plomb qui comporte 82 protons, atteindra une impulsion de 82 × 7 TeV par faisceau. Cette énergie de 574 TeV sera partagée entre les 208 nucléons du plomb, ce qui donne 2,76 TeV/nucléon. Ainsi, au moment de la collision entre deux ions de plomb, une énergie totale de 1148 TeV sera mise en jeu ! Les chercheurs pensent qu’à ces énergies le plasma de quarks et de gluons pourra être étudié sous toutes les coutures.

Le LHC est tantôt nourri aux protons...

Pour obtenir des protons, on dépouille des atomes d’hydrogène de leur électron. Ils sont ensuite injectés dans un propulseur, qui les
accélère jusqu’à 1,4 GeV. Dans le synchrotron à protons (PS), ils sont alors accélérés à 25 GeV, puis envoyés au super synchrotron à protons
(SPS) où leur énergie atteint 450 GeV. Ils sont finalement transférés au LHC où ils sont repartis sur les deux anneaux et accélérés jusqu’à une
énergie de 7 TeV.

...tantôt aux ions de plomb

On obtient les ions par chauffage de fils de plomb à une température d’environ 550°C. À cette température, le plomb s’évapore. Sa vapeur est
ensuite ionisée pour obtenir des ions de plomb ayant perdu jusqu’à 27 électrons, que l’on note Pb27+. Ces derniers sont accélérés jusqu’à 4,2
MeV/nucléon avant de passer à travers une feuille de carbone, où la plupart d’entre eux sont déshabillés de leurs électrons pour arriver jusqu’à un état Pb54+. On accélère ces ions dans le LEIR (un anneau d’ions de basse énergie), puis comme dans le cas des protons, dans le PS, et enfin dans le SPS. Ils passent à travers une seconde feuille de carbone qui les dénude complètement : les ions ont alors une charge électrique
correspondant à 82 fois celle d’un proton. Ils ont atteint une énergie de 177 GeV/nucléon, avant d’être injectés dans les deux anneaux du LHC,
où ils sont amenés 2,76 TeV/nucléon.
En fonctionnement nominal, le faisceau sera composé de 592 paquets de 16 x 16 x 50 mm3 chacun contenant environ 100 000 ions et espacés
de 100 nanosecondes. Le remplissage d’un des anneaux nécessite dix minutes et le temps de vie du faisceau est de quatre heures environ.

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