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Après une pause, le LHC reprend sa quête de la matière noire

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Le LHC, tout en prenant des données pour tenter de découvrir de la nouvelle physique, poursuit sa marche vers l'obtention de faisceaux de protons plus intenses. Il faut pour cela faire des pauses afin de s'assurer de la qualité du vide régnant dans le collisionneur.

LHC : comment fonctionne le plus grand accélérateur de particules ?  À cheval entre la France et la Suisse, le Grand collisionneur de hadrons permet actuellement de faire des collisions de protons à une énergie de 13 TeV (téraélectronvolts). Découvrez le fonctionnement de cet impressionnant outil en vidéo grâce au Cern. 

On a parfois comparé le LHC avec le programme Apollo et comme dans le cas de la fusée Saturn V, le Grand collisionneur d'hadrons a nécessité de résoudre bien des problèmes techniques pour pouvoir fonctionner. L'un des éléments clés de son succès repose sur la stabilité des faisceaux de paquets de protons. Pour cela, il faut notamment que ces paquets, des bunches comme les appellent dans leur jargon les physiciens des accélérateurs, circulent dans un vide poussé. En l'occurrence, il faut que les tubes circulaires de 27 kilomètres de circonférence où circulent les protons soient le siège d'un ultravide comparable à celui qui existe dans l'espace, c'est-à-dire de l'ordre de 10-10 voire 10-11 hectopascals.

Des visiteurs du monde entier peuvent à présent explorer virtuellement de nombreuses zones du Cern à partir de Google Maps via la fonction Street View. On peut visiter ici Alice, l’un des quatre détecteurs géants du LHC. © Google Street View

Les ingénieurs savent obtenir ce vide mais après la mise à niveau du LHC pour le fameux second « run », il restait tout de même des molécules piégées à la surface des tubes ainsi que des électrons. Or lorsque des bunches se mettent à circuler, les champs électromagnétiques des protons arrachent ces électrons qui à leur tour vont entrer en collision avec les molécules qui vont quitter les parois du LHC. Plus on veut faire circuler des paquets de protons avec une fréquence élevée dans le collisionneur, ce qui correspond à faire augmenter la luminosité des faisceaux, plus ce phénomène va s'intensifier ce qui, in fine, conduit à une dégradation de la qualité du vide et à la production en cascade d'électrons arrachés aux molécules.

Un court arrêt nécessaire

Ces nuages d'électrons sont une menace pour la stabilité des faisceaux, une menace qu'il faut supprimer pour pouvoir atteindre les objectifs de la seconde campagne de recherche d'une nouvelle physique avec le LHC via des faisceaux dont la luminosité a été augmentée et des collisions qui doivent se faire à 13 TeV.

On peut visiter ici le Proton Synchrotron (PS), un des accélérateurs utilisés pour fabriquer les faisceaux de protons injectés dans le LHC. © Google Street View

Une solution existe et elle a été mise en pratique récemment, ce qui a conduit à l'arrêt temporaire de la prise de données pour la chasse à cette nouvelle physique. Pendant quelques jours de nombreux paquets de protons, jusqu'à 1.200, mais à des énergies de 450 GeV ont circulé. Cette énergie correspond à celle qu'ont les protons après avoir passé par la chaîne de préaccélérateurs du LHC, celle qui contient le PS et le SPS (Supersynchrotron à protons). C'est donc l'énergie d'injection dans le LHC qui lui-même n'a pas été utilisé pour accélérer des hadrons afin de les porter à des énergies plus élevées.

Le Cern a fait savoir que cette opération s'était bien passée et que des faisceaux comportant 152 bunches étaient à nouveau utilisés pour faire des collisions dans les grands détecteurs du LHC. Les paquets de protons y entrent toutes les 50 nanosecondes lorsque l'on fait de la prise de données avec des collisions à 13 TeV. Il est prévu d'augmenter rapidement le nombre de bunches et, normalement avant la fin de ce mois, on devrait atteindre pas loin de 1.000 paquets de protons par faisceaux.

Une nouvelle opération de nettoyage lui succédera afin de pouvoir encore augmenter la luminosité des faisceaux.

Avec le LHC, les physiciens n’explorent pas que les mystères de l’infiniment petit mais aussi ceux de l’infiniment grand. En effet, le Grand Collisionneur de Hadrons découvrira peut-être des particules de matière noire. © Cern