Les premières collisions du LHC sont au rendez-vous !

Les premières collisions dans les 4 détecteurs du LHC le 23 novembre 2009 (CERN)

C’est un succès pour le LHC : aujourd’hui, 23 novembre 2010 à 14h22, les premières collisions proton-proton ont eu lieu à l’Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire (CERN) dans le plus puissant accélérateur de particules du monde : le LHC. Ces collisions sont le fruit de plus de 15 ans de travail de plusieurs milliers de techniciens, ingénieurs et physiciens répartis aux quatre coins du monde.

Les péripéties du LHC

Je vous rappelle que les premiers faisceaux de protons ont circulé dans le LHC à partir du 10 Septembre 2008 mais que 9 jours plus tard, un incident sur une interconnexion électrique s’est produit. L’accélérateur a été fortement endommagé sur environ 3 km et 1 an de réparation a été nécessaire aux équipes du CERN. De plus, le système de protection des aimants a été amélioré de manière à ce que cet évènement ne se reproduise pas à l’avenir.

Redémarrage progressif du LHC

Durant les mois d'octobre et novembre, tous les indicateurs du LHC sont progressivement passés du rouge au vert, signifiant que toute la machine était prête à recevoir des faisceaux de particules pour les faire entrer en collisions. Les différents réglages ont été ajustés ces dernières semaines de manière à commencer la campagne de collisions pour 2010 en toute sérénité sans prendre de risque.

Ecran général de contrôle de la cryogénie du LHC.  

Tout est vert : le LHC est à 1,9 K (271 °C)

Récapitulatif du redémarrage 2009 :

- Le 8 octobre, tout le LHC était à nouveau froid : les 9000 aimants supraconducteurs répartis sur l’anneau de 27 km ont atteint la température cryogénique de 1,9 K (-271°C), nécessaire pour le fonctionnement de l’accélérateur.

- Les particules ont fait leur réapparition à l’entrée du LHC le 23 octobre.

- Le 19 novembre, les 1572 circuits supraconducteurs étaient tous vérifiés et testés pour permettre la circulation des faisceaux de particules dans toute la machine jusqu’à 3,5 TeV.

- Le 20 novembre, des faisceaux ont fait plusieurs tours complets du LHC dans le sens horaire et antihoraire à l’énergie d’injection (soit 0,45 TeV).

- Le 23 novembre, les 2 faisceaux circulaient en même temps en sens inverse pendant plusieurs heures entrainant les premières collisions dans les détecteurs ATLAS et CMS puis dans les détecteurs ALICE et LHCb.

Image du faisceau traversant un BPM (moniteur de position du faisceau) dans le sens horaire le 21 novembre

Les détecteurs vont prendre du service

Les quatre expériences du LHC (dénommées ATLAS, CMS, ALICE et LHCb) ont donc pu « voir » leurs premières vraies collisions. Jusqu’à présent, tous ces détecteurs se contentaient de détecter les particules cosmiques qui les traversaient pour se calibrer et se paramétrer. La phase à avenir est principalement une phase de réglage final pour la machine mais également pour tous les détecteurs avant de passer aux choses sérieuses. On a beaucoup entendu dans les couloirs du CERN aujourd’hui : « les physiciens vont enfin avoir des évènements pour faire de la physique ! ».

Détecteur CMS le 7 Novembre 2009 ayant détecté les énergies déposées par les  particules résultantes d’une éjection du faisceau de particules juste avant le détecteur lors de la phase de redémarrage de la machine (splash events). Photons, électrons ou positrons en rouge, hadrons (protons, neutrons, pions) en bleu et muons en jaune et magenta.

Aujourd’hui est un évènement capital dans l’histoire du CERN et du LHC. Ces premières collisions ont été réalisées à une énergie de 0,9 TeV (1 TeV = 1 tera-électronvolts = 1000 milliards d’électronvolts), ce qui est une basse énergie pour le LHC mais une énergie colossale tout de même (le plus puissance accélérateur du monde avant le LHC était le Tevatron, capable de réaliser des collisions à 1 TeV).

Les détecteurs vont donc véritablement entrer en fonctionnement pour venir détecter, enregistrer et analyser en 3 dimensions les 600 millions de collisions générés à chaque seconde dans la machine. L’ensemble des 4 détecteurs devraient produire environ 15 millions de Giga Octets de données par an (soit une pile de CD de 20 km de haut). Toutes ces données permettront ensuite aux physiciens de confirmer ou d’infirmer leurs théories en fonction des statistiques observées lors de ces collisions.

Le programme 2010 du LHC

Une fois les différents instruments de mesure bien calibrés, l’objectif est de monter l’énergie des faisceaux de particules à 1 TeV assez rapidement puis d’arriver progressivement aux 3,5 TeV pour la fin 2010, c’est-à-dire provoquer des collisions à 7 TeV (2 faisceaux à 3,5 Tev en collision = 7 TeV au centre de masse). Cette énergie correspond à la moitié de la  puissance théorique maximale que le LHC peut atteindre (collisions prévues à 14 TeV) mais les physiciens espèrent pouvoir récolter suffisamment de données lors de cette première phase de collisions à moindre puissance pour pouvoir faire de la « physique » et venir confirmer certaines théories comme le fameux mécanisme de Higgs permettant d’attribuer une masse aux différentes particules dans le cadre du modèle standard de la physique des particules.

Le directeur général du CERN disait à ce propos au mois d’aout 2009 que « Nous avons choisi le chiffre de 3,5 TeV parce que cela permet aux opérateurs du LHC d'acquérir l'expérience du fonctionnement de la machine en toute sécurité tout en ouvrant une nouvelle région de découvertes pour les expériences ».

Aujourd’hui, le LHC vient de commencer une nouvelle aventure pour la science.

Simulation de la désintégration d'un boson de Higgs en 4 muons (traces jaunes) par l'expérience ATLAS

Le C@fé des sciences est une communauté de blogs scientifiques en français. Le blog La Science pour Tous est membre du c@fé depuis 2 ans environ. En 3 ans d’existence, le c@fé a intégré 22 blogs à partir d’une sélection rigoureuse où chaque nouvelle demande a été examinée par les membres du c@fé et approuvée ou non par vote.

Le C@fé agrège les billets de tous les membres sur sa page principale et donne une liste alphabétique des différents blogs mais il n’y a pas de vue globale des blogs par catégorie, d’où l’idée de faire une carte interactive des blogs du c@fé.

Les tendances

Il est toujours délicat d’affecter une catégorie à un blog car la majorité des blogs scientifiques abordent de nombreux sujets parfois divers. Cependant, les auteurs ont toujours des préférences qui se retrouvent dans leurs billets et on peut alors attribuer aux différents blogs une tendance générale. Les différentes tendances sélectionnées sont les suivantes :

- Sciences et Vie de la Terre : dans cette section, les blogs peuvent parler de biologie, de génétique, d’évolution mais également de zoologie ou de climatologie et d’environnement.

- Math/Physique : cette étiquette regroupe les blogs qui parlent de mathématiques et de physique ainsi que de leurs applications technologiques et de leur histoire.

- Actualités : certains blogs sont spécialisés dans les faits scientifiques d'actualité. Ils sont souvent tenus par des journalistes (scientifiques ou non).

- Sciences Humaines : les Sciences Humaines et Sociales ont également leur place au c@fé des sciences mais sont encore peut représentées.

- Sciences générales : les blogs qui parlent de tous les sujets scientifiques sans réelle dominance sont classés ici.

On peut également voir sur la carte que certains blogs sont proches de 2 continents car ils sont un peu entre 2 thématiques comme le blog de Tom Roud, Dr Goulu ou le Webinet des curiosités.

J'attends vos commentaires et suggestions pour améliorer cette carte dans l'avenir !

La physique des particules est une science étrange et fascinante. Elle a pour mission de réaliser le bestiaire des particules qui nous entourent et d’expliquer les différents mécanismes entre particules qu’on appelle interactions. On trouve également la dénomination physique des hautes énergies pour parler de la physique des particules car la plupart de ces petites choses se désintègrent très vite et n’existent que pendant quelques pouillèmes de seconde lors de collisions à hautes énergies avant de se désintégrer. Ci-dessous : une particule en pleine action :

Il n’est pas chose aisée que d’établir une liste des particules de manière claire, même s’il existe des grandes familles. Pour les néophytes, voici quelques règles simples à retenir avant tout :

La physique des particules possède un modèle théorique pour décrire les particules élémentaires qui porte le simple nom de modèle standard. A ce jour, toutes les particules du modèle standard ont été observées dans les accélérateurs de particules à l’exception d’une particule : le boson de Higgs, qui devrait être détectée dans l’avenir avec le nouvel accélérateur de particule du CERN, le LHC.

Le modèle standard regroupe 25 particules élémentaires représentées dans le tableau ci-dessous (ainsi que leurs 25 antiparticules associées que je ne citerai pas pour raison de lisibilité). Il existe 2 grandes familles de particules élémentaires :

-La famille des particules de matière : ce sont les fermions.

-La famille des particules de champ qui sont des médiateurs et permettent de véhiculer une force d’interaction : les bosons de gauge.

Le modèle standard parle ensuite de 3 générations qui sont dues à la différence de masse entre les particules. La première génération rassemble les particules les plus légères qui sont stables et constituent la matière qui nous entoure alors que les générations 2 et 3 sont constituées de particules plus lourdes créées artificiellement sur Terre dans les accélérateurs de particules et qui se désintègrent rapidement.

Il existe 12 fermions qui sont classés en 2 sous-familles :

  - 6 leptons qui ne sont pas sensibles à l’interaction forte :

• Première génération : l’électron et le neutrino électronique.
• Deuxième génération : le muon et le neutrino muonique.
• Troisième génération : le tauon et le neutrino tauonique.

- 6 quarks qui sont sensibles à toutes les interactions :

• Première génération : quarks up et down.
• Deuxième génération : quarks strange et charmed.
• Troisième génération : quarks bottom (aussi appelé beauty) et top.

Il existe 13 bosons de gauge pour véhiculer 3 forces d’interaction ainsi que la masse aux différentes particules :

- Le photon qui est le médiateur de la force électromagnétique.

- Les bosons W⁺, W^- et Z⁰ qui véhiculent la force faible.

- Les 8 gluons qui sont responsables de la force forte.

- Le boson de Higgs qui conférerait leur masse aux particules (hypothétique).

Il y a aussi une particule hypothétique appelée graviton qui serait le médiateur de la force gravitationnelle. Je le mentionne ici car cette particule me semble importante mais elle ne fait pas partie du modèle standard qui ne décrit pas les phénomènes gravitationnels. Il existe de nombreuses autres particules élémentaires hypothétiques dans les différentes théories des physiciens (parfois un peu tarabiscotées) mais aucune d’entre elles n’a jamais été détectée, je n’en parlerai donc pas dans ce billet.

Voila, vous connaissez à présent toutes les particules élémentaires du modèle standard qui permettraient d’expliquer toute la physique!!

Les particules composites

Des particules élémentaires peuvent se regrouper sous l’influence des différentes interactions pour former de nouvelles particules. Le meilleur exemple est le regroupement des quarks sous l’effet de la force forte, formant ainsi une nouvelle classe de particules composites appelées hadrons.  

Les hadrons se décomposent en 2 familles :

- Les mésons qui sont composés par un nombre pair de quarks et d’antiquarks. Il en existe à ce jour plus d’une dizaine dont, entre autres, les kaons et les pions.

- Les baryons qui sont composés de 3 quarks. On en dénombre plus d’une vingtaine mais les plus connus sont les protons (2 quarks up + 1 quark down) et les neutrons (2 quarks down + 1 quark up).

La force forte agit comme un ressort sur les quarks : plus les quarks tentent de s’éloigner, plus la force forte augmente. Il est ainsi très difficile de séparer des quarks liés, et c’est pour cela que l’on a longtemps pensé que les protons et les neutrons étaient des particules élémentaires. Encore une fois, les différentes théories de la physique décrivent d’autres classes de hadrons, dit exotiques, dont je ne parlerai pas.

Les quasi-particules

Par commodité, la physique peut faire appel au concept de particule pour décrire des phénomènes sans qu’une particule n’existe vraiment, on parle alors de quasi-particule. Une quasi-particule peut par exemple décrire un « manque de particule réelle », ce que l’on appelle un « trou » pour parler de l’absence d’un électron en électricité ou bien encore la propagation d’ondes dans des structures cristallines (phonon).

Illustrations : Noémie Thiéblemont et Alexandre Moraux, que je tiens tout particulièrement à remercier pour les différents dessins de particules présentés dans ce billet et qui permettront, je l’espère, à mieux se familiariser avec toutes ces petites particules ! C'est donc eux qu'il faut féliciter !