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Les accélérateurs du LHC

Dossier - LHC : une clé pour le futur !
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Le Large Hadron Collider, ou LHC, est un instrument composé de collisionneurs et d'accélérateurs de particules. Ses expériences ont pour but d'améliorer notre connaissance de l'histoire de l'univers.

  
DossiersLHC : une clé pour le futur !
 

Une chose est certaine : pour espérer observer le Higgs, le déconfinement des hadrons et les particules supersymétriques, il faut reconstituer des conditions de température, et donc d'énergie, qui existaient avant le premier milliardième de seconde après la naissance de l'univers observable, lorsque celui-ci était un plasma brûlant de quarks et de gluons libres interagissant avec des leptons, des photons et autres bosons intermédiaires.

La température dépassait alors le millier de milliards de kelvins (K). Le LHC devrait pouvoir s'approcher des conditions qui régnaient dans le cosmos seulement 10-25 seconde après sa naissance, alors que la température était proche de 100 millions de milliards de K et la taille du cosmos observable de seulement 300 millions de km !


Le Big Bang. © Cern

Pour y arriver, les ingénieurs ont dû coupler en cascades toute une série d'accélérateurs qui existaient déjà au Cern. Ces derniers alimentent le LHC non seulement en protons mais aussi en ions lourds, puisque c'est avec des ions de plomb que les physiciens cherchent à percer les mystères du plasma de quarks et de gluons qu'ils espèrent produire par déconfinement des protons et neutrons des noyaux de plomb. En réalité, ce dernier à déjà été réalisé et en partie étudié aux États-Unis avec RHIC, et quelques années avant au Cern avec l'expérience NA 50.

Les accélérateurs du LHC

Les protons des faisceaux ont atteint une énergie de 7 Tev. Pour les obtenir, on commence par dépouiller des atomes d'hydrogène de leur électron. Les noyaux, des protons donc, sont ensuite accélérés avec un accélérateur linéaire, le Linac2 sur le schéma ci-dessous qui les injecte dans un premier  Synchrotron à protons (PS Booster, PSB) à une énergie de 50 MeV. Le PSB porte leur énergie à 1,4 GeV avant de les injecter à son tour dans le Synchrotron à protons (PS), où l'énergie des protons monte cette fois à 25 GeV.


La cascade d'accélérateurs équipant le LHC lui-même. © Cern

Arrive ensuite l'étape du Supersynchrotron à protons (SPS), où l'on obtient 450 GeV par protons. Le transfert dans le LHC proprement dit s'opère enfin dans le sens des aiguilles d'une montre, et inversement, pour qu'on puisse obtenir deux faisceaux tournant en sens contraires. Le temps de remplissage  est de 4 min 20 s par anneau et, au bout de 20 minutes, les faisceaux de protons atteignent enfin l'énergie nominale de 7 TeV.

Dans le cas des faisceaux d'ions lourds, qui entreront en collision dans le détecteur Alice, le processus est similaire mais avec des différences.

On commence par chauffer du plomb extrêmement pur à 500 °C. Les ions ainsi produits portent des charges très variables, ils peuvent perdre jusqu'à 29 électrons pour devenir des ions  Pb29+. Cela n'est pas suffisant et on doit les accélérer ensuite pour les faire passer au travers d'une première feuille de carbone pour les transformer en ions Pb54+, lesquels sont accélérés dans le Leir (Anneau d'ions de basse énergie), puis transférés dans le PS. Ce dernier augmente encore leur énergie avant de les injecter dans le SPS, après lui avoir fait traverser une seconde feuille de carbone qui termine de l'ioniser totalement en produisant  des Pb82+ qui sont enfin envoyés dans le LHC pour une ultime accélération.

Quelques photos de l'intérieur des PS, SPS et du LHC lui-même. © Cern

Maintenant, ces ions de plomb comportent 82 protons mais 208 nucléons avec les neutrons. Ce qui fait que si l'on obtient une énergie de 82 × 7 TeV = 574 TeV par ion, l'énergie disponible lors de la collision des faisceaux circulant en sens contraire serait de 1.148 TeV. C'est oublier que les collisions se feront en réalité au niveau des nucléons individuels pour qui, en moyenne une énergie de seulement 2,76 TeV sera disponible.

Étudions le LHC lui-même d’un peu plus près

Il y a d'abord les tubes dans lesquels les deux faisceaux de protons voyageront presque à la vitesse de la lumière et en sens contraires. Afin d'éviter des collisions avec d'éventuelles molécules de gaz présentes dans l'accélérateur, les ingénieurs ont réalisé dans ces tubes ce qu'on appelle un ultravide. La pression y est de seulement 10-13 atmosphère, ce qui est dix fois inférieur à la pression régnant sur la Lune.

Les faisceaux eux-mêmes sont constitués chacun de 2.835 paquets de protons que l'on nomme des « bunches » en anglais. Ils sont séparés par 7,5 m ce qui veut dire qu'il en passe un toutes les 25 nanosecondes en un point du LHC. Chaque bunche comporte environ 1011 protons mais seuls 20 d'entre eux en moyenne entreront en collision, ce qui fait quand même environ 109 milliards de collisions par seconde et environ 1.600 particules chargées produites pour chaque collision de bunches dans les détecteurs qui équipent le LHC. Sur ces 109 seules une centaine sont intéressantes, c'est-à-dire qu'elles peuvent être reliées à la production du Higgs ou de particules supersymétriques par exemple.

Un schéma de chaque cryodipole avec les deux tubes à ultravide (beam Pipe). © Cern

Le LHC a une forme circulaire, pour minimiser les pertes d'énergie des faisceaux de particules par rayonnement, son rayon doit être le plus grand possible, mais cela veut dire qu'il doit être équipé d'une série d'aimants dipolaires extrêmement puissants pour courber avec une très grande précision les faisceaux.

Ces aimants utilisent des câbles en niobium-titane (NbTi) : ils sont supraconducteurs si on les refroidit à une température inférieure à 10 K. Ils mesurent 15 m de long, pèsent 35 tonnes chacun et sont au nombre de 1.232. Pour les exigences du fonctionnement du LHC, ils sont refroidis à une température de 1,9 K. Aucun endroit dans le vide intersidéral du cosmos observable n'est aussi froid que cela, puisqu'il y règne le rayonnement de fond diffus d'une température de 2,7 K. Un courant de 11.700 ampères circule dans les dipôles qui génèrent alors un champ magnétique de 8,3 teslas : c'est environ 200.000 fois l'intensité du champ magnétique terrestre.

Les cryodipôles assemblés dans le tunnel du LHC. © Cern

Le nombre d'aimants supraconducteurs équipant le LHC est en réalité bien plus élevé car, au total, il y en a plus de 9.500. En effet, il ne faut pas seulement courber les faisceaux, afin d'obtenir un taux de collisions maximal et d'exercer un contrôle optimal sur les collisions des bunches, ces derniers doivent être bien focalisés et garder une forme stable. Or, rappelons qu'ils sont constitués de protons chargés positivement et se repoussent à l'intérieur des bunches et entre les bunches eux-mêmes. Il a donc fallu ajouter des aimants quadrupolaires, sextupolaires et même octopolaires, tous supraconducteurs.

Le refroidissement de ces aimants a pris des mois et a nécessité une première étape qui a consommé 10.000 tonnes d'azote liquide. Atteindre et maintenir une température finale de 1,9 K mobilise 120 tonnes d'hélium liquide.

En plus des aimants supraconducteurs, il y a des cavités accélératrices avec des champs électriques oscillant à des fréquences de 400 MHz. Elles sont huit par faisceau, fournissant chacune une tension de 2 MV (un champ accélérateur de 5 MV/m). Elles sont elles aussi supraconductrices et c'est pourquoi elles doivent être refroidies à 4,5 K.

Une des cavités accélératrices du LHC. © Cern

Viennent enfin les détecteurs dans lesquels les deux faisceaux sont croisés afin que les bunches entrent en collisions.

En résumé, 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 m 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 est composé de 2.808 paquets de particules (on parle de «  bunches » en anglais).
  • Chaque bunche contient 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 7.600 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 circulent 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 1.000 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 stocke un faisceau d'énergie de 360 mégajoules environ : 2.808 bunches  x 1,15 1011 protons d'une énergie de 7 TeV chacun = 2.808 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 navire de croisière de 10.000 tonnes se déplaçant à 30 km/h ;
    • 1 véhicule 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.