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Démarrage du plus grand accélérateur de particules au monde pour percer les mystères du "big-bang"

16700 lectures / 73 commentaires18 septembre 2008, 00 h 11

Le grand collisionneur de hadrons (Large Hadron Collider - LHC), le plus grand accélérateur de particules du monde, a été mis en route mercredi 10 septembre au Cern, près de Genève. Sa mission : percer les secrets de la matière et de l'univers.

Un projet pharaonique

Le LHC est le plus grand accélérateur de particules jamais construit par l'homme et même la machine la plus colossale que l'être humain ait jamais réalisée ! Installé dans un tunnel circulaire de 27 kilomètres situé sous la frontière franco-suisse, à 100 m sous terre, le LHC est composé d'un tube d'environ un mètre de diamètre et 27 kilomètres de long, en forme d'anneau. À l'intérieur se trouvent deux tubes à vide où circulent en sens inverse les paquets de protons, entourés de quelque 9 000 aimants supraconducteurs(1). Ces derniers génèrent un puissant champ magnétique, près de 175 000 fois plus intense que celui de la Terre (8,3 teslas), qui permet de guider les protons sur leur trajectoire.
Des milliers de milliards de particules subatomiques de la famille des « hadrons » (des protons ou des ions lourds de plomb) vont être précipités les uns contre les autres à des vitesses proches de celle de la lumière, avec une énergie totale de 14 000 milliards d'électronvolts (14 TeV) (2). Ces collisions généreront ponctuellement des températures cent mille fois supérieures à celle du cœur du Soleil. Et pour que les particules puissent atteindre ces énergies faramineuses, il faut que règnent dans les entrailles de la machine un froid et un vide extrêmes : une température de – 271,3 °C (1,9 kelvin) et une pression de un dix-millième de milliardième d'atmosphère.

L'astrophysicien canadien Hubert Reeves a souligné que "c'est vraiment un outil impressionnant. Les puits pour descendre le matériel ont une taille par laquelle il serait possible de faire passer une cathédrale". Le projet, d'un coût de 3,76 milliards d'euros, a mobilisé pendant 15 ans plus de 7000 physiciens et ingénieurs originaires des cinq continents, ce qui en fait le plus grand projet scientifique de ces dernières années.
En France, plus de 400 physiciens et ingénieurs du CEA/Irfu et du CNRS/IN2P3 participent au projet LHC. Ils ont contribué, dès l'origine, à la genèse et au développement des quatre détecteurs.

Pour révolutionner notre approche de l'univers

À la clé, ce sont des découvertes fondamentales sur les briques ultimes de la matière et sur les lois qui gouvernent l'Univers qui sont espérées." Grâce au LHC, nous allons enfin pouvoir tester expérimentalement certaines théories physiques échafaudées au cours des quarante dernières années ", assure Abdelhak Djouadi, du Laboratoire de physique théorique, à Orsay.
Avec la première mise en circulation d'un faisceau dans le collisionneur de hadrons, les physiciens vont pouvoir étudier les plus petites particules connues : les composants fondamentaux de la matière. Le LHC va révolutionner notre compréhension du monde, de l'infiniment petit, à l'intérieur des atomes, à l'infiniment grand de l'Univers.
En faisant entrer en collision frontale les deux faisceaux à une vitesse proche de celle de la lumière et à de très hautes énergies, le LHC va recréer les conditions qui existaient juste après le Big Bang, il y a environ 13,7 milliards d'années. Des équipes de physiciens du monde entier analyseront les particules issues de ces collisions en utilisant des détecteurs spéciaux.

Il existe de nombreuses théories quant aux résultats de ces collisions. Les physiciens s'attendent en tous cas à une nouvelle ère de physique, apportant de nouvelles connaissances sur le fonctionnement de l'Univers. Pendant des décennies, les physiciens se sont appuyés sur le modèle standard de la physique des particules pour essayer de comprendre les lois fondamentales de la Nature. Mais ce modèle est insuffisant. Les données expérimentales obtenues grâce aux énergies très élevées du LHC permettront de repousser les frontières du savoir, mettant au défi ceux qui cherchent à confirmer les théories actuelles et ceux qui rêvent à de nouveaux paradigmes. Robert Aymar, le directeur général de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (Cern), se dit persuadé qu'il "permettra d'aboutir à des découvertes qui changeront notre vision du monde et en particulier de sa création".
A ce titre, l'un des résultats attendu est la détection ou pas du fameux boson de Higgs, une particule élémentaire qui conférerait une masse à certaines autres particules, et dont l'absence bouleverserait la physique théorique.
Au-delà du Higgs, "nous sommes convaincus qu'il existe de très nombreuses particules beaucoup plus lourdes que celles que nous connaissons avec très peu d'interactions et qui sont présentes dans l'univers. C'est ce que nous appelons sans doute la matière noire", explique pour sa part M. Aymar qui déclare également qu'il "est certain que le LHC fournira l'identification et la compréhension de cette matière noire", qui compte pour 23% de l'univers, alors que la matière ordinaire ne compte que pour 4% (le restant étant constitué d'énergie sombre). Un autre détecteur, le LHCb, tentera de trouver où est passée l'antimatière, présente au moment du big bang en quantité égale avec la matière.

Une première mise en circulation réussie

Un premier faisceau de 100 milliards de protons a été injecté à 09h33 dans le LHC, il a effectué le tour complet de l'anneau en un peu moins d'une heure. Ce premier tour de piste étant un succès, ces particules avaleront désormais la distance en moins de cent microsecondes. Un autre faisceau devait être envoyé dans l'autre sens pour vérifier la bonne fonctionnalité du système. "Après l'injection du faisceau, il a fallu attendre environ 5 secondes pour l'acquisition des données", a déclaré le directeur du projet LHC, Lyn Evans.
Une fois la circulation de faisceaux stables établie, ceux-ci seront, dans les jours suivants, mis en collision en quatre points de l'anneau dans les détecteurs Alice, Atlas, CMS et LHCb. Il faudra alors mettre en service le système d'accélération du LHC qui devra porter l'énergie à 5 TeV, en faisant ainsi l'accélérateur de particules le plus puissant du monde, amenant de fait la recherche en physique des particules dans des domaines encore inexplorés.
A pleine puissance, 600 millions de collisions par seconde génèreront une floraison de particules, dont certaines n'ont jamais encore pu être observées. 15 000 téraoctets de données seront recueillis chaque année, 11 grands centres répartiront l'information brute vers 200 sites à travers le monde, qui la stockeront et l'analyseront. Parmi les détecteurs, Atlas et CMS vont traquer le boson de Higgs.

Des expériences qui suscitent des inquiétudes

Certaines voix s'étaient élevées contre ce projet dont les expériences pourraient créer de l'anti-matière - des trous noirs - susceptible d'engloutir la Terre. Ainsi, Walter Wagner et Luis Sancho, un Américain et un Espagnol ont demandé devant un tribunal de Hawaï la fermeture immédiate du LHC, en invoquant le principe de précaution.
Or, un rapport publié le 5 septembre dans Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, une revue scientifique qui publie des articles validés à la suite d'un examen par des pairs, démontre de manière circonstanciée que les craintes quant à la sécurité du Grand collisionneur de hadrons sont infondées. Robert Aymar, a déclaré à ce sujet que « le LHC est sûr et l'idée qu'il puisse présenter un risque relève de la pure fiction. »
« L'étude sur la sécurité du LHC a démontré que le LHC ne présente absolument aucun danger a indiqué Jos Engelen, le directeur scientifique du CERN ; elle souligne que la nature a déjà connu l'équivalent d'une centaine de milliers de programmes d'expérimentation semblables à celui du LHC – Et la Terre est toujours là. »

Notes

1. Les aimants supraconducteurs sont constitués de bobines dans lesquelles le courant électrique circule sans aucune résistance. Ils nécessitent des températures très basses pour fonctionner.
2. L'électronvolt est une unité de mesure d'énergie. En physique des particules, elle désigne aussi la masse des particules. 1 téraélectronvolt (1 TeV) = 1 000 milliards d'électronvolts. 1 gigaélectronvolt (1 GeV) = 1 milliard d'électronvolts.

Références

• LHC : naissance d'un géant - CNRS
• Le démarrage du LHC - LHC France
• LHC : démarrage du plus grand accélérateur de particules - CNRS
• À la veille de la mise en circulation du premier faisceau, le CERN réaffirme que le LHC ne présente aucun danger - CERN

Auteur

Christophe Magdelaine / notre-planete.info (tous droits réservés)

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