LHC

D'une circonférence de 27 kilomètres, le LHC (Large Hadron Collider ou grand collisionneur de hadrons) est actuellement en cours de construction au CERN. Lors de sa mise en production, prévue en 2008, le LHC permettra d'atteindre des énergies de 14 TeV. Il sera alors le plus puissant collisionneur du monde.

Des faisceaux de proton (allant à 99.999999% de la vitesse de la lumière) et même d'ions lourds y circuleront. Les objectifs du LHC au niveau de la physique standard sont la détection du Higgs et l'étude du quagma, le plasma de quarks et de gluons produit par collisions d'ions lourds. La détection du Higgs est nécessaire pour valider complètement le modèle standard électrofaible joint à la QCD. Le quagma est un état de la matière hadronique que l'on doit trouver dans certaines étoiles à neutrons et dans les tout premiers instants de l'Univers, son étude devrait être faite avec le détecteur ALICE.

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

En premier lieu, c'est la détection des partenaires supersymétriques des particules du modèle standard qui devrait faire l'objet du maximum d'attention, c'est essentiellement la tâche du détecteur ATLAS. Joint à la mise en évidence du Higgs, cela devrait nous donner une clé importante pour la compréhension de la masse des particules de l'Univers. LHCb devrait pouvoir aussi nous renseigner sur la supersymétrie, mais son objectif principal est de comprendre la violation CP, capitale pour l'élucidation de l'énigme de l'asymétrie matière / anti-matière.

En second lieu, la mise en évidence de dimensions spatiales supplémentaires, et même la création de minis-trous noirs, avec ATLAS fait partie des possibilités les plus excitantes. La théorie des cordes pourrait même y trouver une confirmation !

Toutefois, sauf surprises, il faudra probablement attendre fin 2008 pour que le LHC monte suffisamment en énergie et collecte un nombre assez grand de données pour pouvoir tester ces théories encore très spéculatives. Il est probable aussi que le Higgs et la supersymétrie seront vus au Tevatron avant.

Quelques chiffres concernant le LHC :

• Le Large Hadron Collider est un collisionneur en forme d’anneau de 27 km de long situé dans un tunnel à environ 100 mètres sous terre, près de Genève ;
• L’énergie 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 ;
• Luminosité  = 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 fréquence 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 2808 paquets de particules (on parle de «  bunches » en anglais) ;
• Chaque bunche contiendra 1,15 x 10¹¹ protons ;
• Les bunches sont longs de quelques cm mais leur dimension transversale est réduite à 16 microns seulement juste avant collision ;
• La longueur totale des câbles supraconducteurs nécessaire est d'environ 7600 km. Chaque câble étant constitués de filaments, la longueur totale des filaments est de 10 fois la distance de la Terre au Soleil ; 
• Le vide dans lequel circule les faisceaux de protons est très poussé, seulement  10^-10 torr (~ 3 millions molécules / cm³) et ceci afin d'éviter au maximum les collisions avec des molécules de gaz. C'est l'équivalent de la pression à une altitude de 1000 km. Rappelons que la pression atmosphérique est de 760 torr ;
• Les aimants supraconducteurs du LHC sont refroidis à 1,9 K avec de l'hélium superfluide à la pression atmosphérique.

Le LHC va stocker un faisceau d'énergie de 360 mégajoules environ : 2808 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 joules = 362 MJ par faisceau. Cela peut être comparé à :

• En énergie cinétique :
  • 1 petit navire de croisière de 10 000 tonnes se déplaçant à 30 km / h ;
  • véhicules de 2 tonnes se déplaçant à 100 km / h.
• En énergie chimique :
  • L’explosion de 80 kg de TNT ;
  • La métabolisation de 70 kg de chocolat (en comptant les calories) ; l'énergie dans le chocolat est libérée un peu plus lentement que dans l’explosion du TNT !
• En énergie thermique :
  • Ce qu’il faut pour fondre 500 kg de cuivre ;
  • Ce qu’il faut pour porter 1 mètre cube d'eau à 85 ° C ou encore préparer  "une tonne de thé".

Liens

• ALICE
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• CMS
• LHC