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LHC : la chasse à la nouvelle physique va reprendre en 2015

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Grâce aux énergies qu'il pouvait permettre d'atteindre dans les collisions de protons, le LHC laissait espérer la découverte rapide de particules de matière noire, et même la formation de minitrous noirs. Il a fallu déchanter... Mais le LHC va redémarrer dans quelques mois, avec des faisceaux de protons atteignant de nouveaux sommets en énergie.

Interview : peut-on créer des minitrous noirs sur Terre ?  Les trous noirs sont des astres fascinants. La force gravitationnelle qu’ils exercent est telle que ni la lumière ni la matière ne peuvent s’en échapper. Futura-Sciences a interrogé Aurélien Barrau, astrophysicien spécialisé en cosmologie et auteur du livre Des univers multiples, pour savoir si la création de trous noirs sur Terre est possible. 

C'est tout récemment que Savas Dimopoulos, Kiel Howe, John March-Russell et James Scoville ont déposé sur arXiv un article qui ravive quelque peu l'espoir d'observer des dimensions spatiales supplémentaires, des minitrous noirs et des particules supersymétriques avec le LHC (Grand collisionneur de hadrons). Mais il faut pour cela provoquer des collisions de faisceaux de protons à des énergies supérieures à 10 TeV. C'est précisément ce à quoi se prépare le LHC qui redémarrera en 2015.

Rappelons que le LHC a exploré, de 2010 à 2013, le monde de la physique des particules avec des énergies de faisceaux de 4 TeV et donc en effectuant des collisions à des énergies de 8 TeV. Il a été mis à l'arrêt pendant deux ans, le temps nécessaire pour que la machine puisse être modifiée afin de produire et d'exploiter des faisceaux d'au moins 6,5 TeV avec une luminosité augmentée. Cela permettra de défricher de nouveaux territoires de la physique, et plus rapidement que jamais, grâce à des collisions à 13 TeV.

 « Avec cette énergie inédite, le LHC va ouvrir de nouveaux horizons pour la physique et de futures découvertes. J'attends avec impatience de voir ce que la nature nous réserve » a commenté le Directeur général actuel du Cern, Rolf Heuer, à qui devrait succéder en 2016 la physicienne italienne Fabiola Gianotti.

« Une quantité très importante de travaux ont été réalisés sur le LHC ces deux dernières années ; c'est pratiquement une nouvelle machine, a déclaré pour sa part le Directeur des accélérateurs et de la technologie du Cern, Frédérick Bordry. Redémarrer cet extraordinaire accélérateur n'est pas quelque chose de banal. Loin s'en faut. J'ai toutefois bon espoir que nous parviendrons à fournir des collisions aux expériences LHC d'ici à mai 2015 ».

Une vue du plus imposant système cryogénique du monde, celui du LHC, qui nécessite 120 tonnes d'hélium liquide. © Maximilien Brice, Cern

Le retour des faisceaux de protons dans le LHC est prévu pour mars 2015. Les aimants supraconducteurs du Grand collisionneur de Hadrons ont déjà été refroidis avec de l'hélium liquide en dessous de 4 kelvins et devraient atteindre en janvier 2015 leur température nominale de fonctionnement, à savoir 1,9 kelvin - ce qui est plus froid que la température du rayonnement fossile baignant l'univers -. Une portion des aimants supraconducteurs du LHC a cependant déjà été testée en étant mise sous tension le mardi 9 décembre 2014 : 154 aimants dipolaires ont ainsi été alimentés avec un courant de 11.000 ampères environ (une intensité mille fois supérieure à celle des appareils ménagers) afin de vérifier qu'ils pourront bien courber les trajectoires des faisceaux de protons à 6,5 TeV.

La cryogénie, une clé pour l'exploration de l'univers

Il faut pour cela générer des champs magnétiques de 8,33 teslas, en vue desquels des bobines ordinaires sont inadaptées. Les courants électriques nécessaires y généreraient en effet un effet Joule inacceptable. C'est pour cette raison qu'il a fallu utiliser des aimants supraconducteurs avec des bobines de câbles composés de niobium-titane (NbTi). L'emploi d'hélium liquide s'est aussi imposé pour le système cryogénique nécessaire à l'obtention de l'état supraconducteur dans les aimants du LHC. Ce système requiert pour fonctionner 120 tonnes d'hélium, 40.000 joints de tuyauterie et une alimentation électrique de 40 MW, soit dix fois plus que la puissance nécessaire à une locomotive.

On reste songeur devant les perspectives ouvertes par la recherche des plus basses températures possibles et leur effet sur les matériaux. Quand Kamerlingh Onnes a découvert la liquéfaction de l'hélium et la supraconductivité, nul ne pouvait imaginer que ces curiosités de laboratoire allaient nous donner des clés pour découvrir le boson de Higgs, analyser le rayonnement fossile avec Planck et Bicep2 et tenter de maîtriser le feu du Soleil avec Iter.

Pour fonctionner à plus haute énergie, le LHC a été renforcé. Quelque 1.700 interconnexions entre les aimants supraconducteurs répartis sur les 27 km de circonférence du plus grand collisionneur de particules du monde ont été consolidées, incluant plus de 10.000 jonctions électriques supraconductrices. © Maximilien Brice, Cern