Le plus grand accélérateur au monde

L’accélérateur du LHC est en fait la plus grande piste de course du monde. Tout au long de ses 27 km de tunnel, à 100 m sous terre, les particules sont lancées à 99,9999991% de la vitesse de la lumière et vont effectuer 11 245 fois le tour de l’accélérateur par seconde. Deux faisceaux de protons voyageront chacun à une énergie maximum de 7 TeV, permettant ainsi des collisions frontales de 14 TeV, ce qui donnera lieu à quelque 600 millions de collisions par seconde.

Pourquoi un « collisionneur » ?

L’accélérateur du LHC est aussi appelé collisionneur car une machine dans laquelle des faisceaux circulant en sens opposés entrent en collision. Cela présente un avantage considérable par rapport à d’autres types d’accélérateurs, dans lesquels un faisceau entre en collision avec une cible fixe. En effet, lorsque deux faisceaux entrent en collision, l’énergie dégagée correspond à la somme des énergies des deux faisceaux. Un faisceau porteur de la même énergie heurtant une cible fixe produit une collision d’énergie bien inférieure.

Le complexe des accélérateurs du Cern

Le LHC n’est en effet pas une machine isolée : elle est alimentée par une succession d’accélérateurs interconnectés. Les protons sont ainsi accélérés et formés en faisceaux dans quatre machines de plus en plus grandes, avant d’être injectés à une énergie de 450 GeV dans l’anneau de 27 kilomètres de circonférence du LHC. Les faisceaux y sont ensuite accélérés jusqu’à une énergie 15 fois plus élevée, de 7000 GeV, avant d’entrer en collision au centre des détecteurs. Chaque faisceau est formé d’environ 3000 paquets de protons, chaque paquet contenant jusqu’à 100 milliards de protons. Pour maintenir des protons animés d’une telle énergie sur des trajectoires stables à l’intérieur des anneaux, il faut appliquer un champ magnétique très puissant de 8,3 teslas. Pour atteindre un tel champ, on a construit environ 9000 aimants dont les bobinages sont faits d’un matériau supraconducteur qui nécessite un refroidissement permanent pour conserver ses qualités.

Le complexe des accélérateurs du Cern. ©CERN

Les rondeurs du LHC

La machine n’est pas parfaitement circulaire. Elle est composée de huit sections en forme d’arc et de huit autres sections droites. Chaque arc contient une trentaine d’unités magnétiques, qui sont les cellules du LHC, (chacune comportant la succession des 9000 aimants de types différents).

Le plus gros frigo du monde

Des circuits cryogéniques sont nécessaires au fonctionnement des aimants supraconducteurs. Pour refroidir ces derniers, on commence par faire circuler de l’azote liquide afin de descendre à une température de 80 K (soit -193,2° C). Au total, il faut douze mille tonnes d’azote liquide pour l’ensemble des enceintes cryogéniques. Puis on passe à l’hélium liquide pour abaisser la température de 80 K à 4,5 K. Cent tonnes d’hélium liquide circulent alors dans les parties froides du LHC. Finalement, on atteint la température de 1,9 K en procédant à un pompage dit « cryogénique » : en diminuant la pression de l’hélium jusqu’à 18 millibars, on diminue la température de l’ensemble jusqu’à une valeur... glaciale. Des pompes qui garantissent le vide dans les chambres où circulent les faisceaux, et d’autres consacrées au vide nécessaire pour le système cryogénique. Au total, quatre systèmes de pompage, chacun de 27 km de long, courent le long du tunnel du LHC.