LHC le nouveau Graal

Le Graal à portée de machine

On sent comme de l’agitation dans l’air. Ce n’est encore qu’un léger frémissement d’excitation, mais qui va aller s’amplifiant durant les prochaines semaines. Cela fait une vingtaine d’années que la communauté mondiale des physiciens des particules attend ce grand moment. Cette fois, après quelque retard sur le calendrier initialement prévu, elle touche au but. Cet été, sans doute en juillet, le bal des protons devrait pouvoir commencer avec la mise en marche du nouvel accélérateur du CERN, près de Genève, le LHC. Une ultime fois, lors d’une journée portes ouvertes organisée le 6 avril, le public a pu pénétrer dans le tunnel et visiter les cavernes d’expérimentation, dont la fermeture va commencer à la fin du mois. Très bientôt, seules les particules auront droit de cité dans le gigantesque anneau.

LHC. Aux yeux des scientifiques, ces trois lettres résonnent comme une formidable promesse. Elles désignent le Large Hadron Collider, ou grand collisionneur de hadrons. L’accélérateur le plus puissant et le plus complexe jamais construit, qui vise, rien de moins, à plonger dans l’intimité de la matière pour mieux comprendre les forces qui gouvernent l’Univers. Il s’agit ici de tenter de savoir d’où notre monde provient et de quoi il est fait. Pour se lancer dans cette quête existentielle, il fallait une machine exceptionnelle. Le LHC est l’instrument de tous les superlatifs. L’accélérateur se présente comme un gros tube. En son sein, deux faisceaux de protons (des noyaux d’hydrogène) vont circuler dans des sens opposés à des vitesses proches de celle de la lumière et entrer en collision en quatre points de l’anneau. C’est là, dans des cavernes souterraines, que sont placés quatre énormes détecteurs – ATLAS, CMS, ALICE et LHCb –chargés de recueillir et d’analyser les gerbes de particules nées des chocs frontaux de ces missiles infiniment petits. Les heurts seront d’une violence inouïe, puisque ces grappes de protons vont être lancées avec une énergie inégalée : 7 000 milliards d’électrons-volts. Une valeur qui pourrait paraître dérisoire, puisqu’elle représente à peu près ce que déploie un moustique en vol, mais qui devient colossale si l’on tient compte du fait qu’elle est concentrée dans une particule de taille infinitésimale. “Cela représente un grand pas”, souligne Peter Jenni, le chef de l’expérience ATLAS. “Cette énergie est sept fois supérieure à celle produite dans le Tevatron”, l’accélérateur américain installé près de Chicago, qui était jusqu’ici le plus puissant du monde. Le centre de gravité de la physique des particules mondiale est désormais situé sur le campus de Meyrin, et le Tevatron est en passe d’être détrôné par le LHC, qui peut figurer dans le Guinness Book à plus d’un titre. Ses détecteurs détiennent des records de gigantisme. ATLAS est le plus grand instrument scientifique jamais construit pour la physique des hautes énergies – il est haut comme un immeuble de sept étages –, alors que CMS est le plus lourd – avec ses 12 500 tonnes, il pèse l’équivalent de quarante-cinq Airbus A 380. Quant à l’accélérateur, il détient aussi la palme du froid. Tout au long de l’anneau, les faisceaux de particules sont en effet guidés et courbés par des aimants supraconducteurs qui laissent passer le courant électrique sans résistance à condition d’être portés à très faible température. Les gros tubes magnétiques sont donc placés dans des sortes de “Thermos”, comme le dit l’ingénieur Pierre Strubin, qui les refroidissent à des températures de – 271,3 °C, plus froides que celles qui règnent dans l’espace intersidéral !

Dans ces conditions, nul ne s’étonnera que le LHC soit aussi l’instrument de physique le plus cher jamais construit. L’accélérateur lui-même a coûté environ 6 milliards de francs suisses [3,8 milliards d’euros] ; il faut encore y ajouter 4 milliards [2,5 milliards d’euros] pour les détecteurs (en partie financés par les institutions des 60 pays qui utiliseront les expériences) et pour l’informatique associée. Tant d’argent et de technologies de pointe, mais à quelle fin ? Quelle sorte de Graal poursuivent donc les 9 000 chercheurs du monde entier qui vont travailler autour du LHC ? Leur premier objectif est la traque du boson de Higgs, la “particule de Dieu”, comme le Prix Nobel Leon Lederman n’a pas hésité à le nommer.



Pour être importante, la quête du boson de Higgs n’est pas la seule à mobiliser les futurs utilisateurs du LHC. Ceux-ci espèrent notamment trouver d’autres particules. Par exemple les neutralinos, que Francesca Nessi-Tedaldi trouve “encore plus intrigants que les Higgs”, et qui permettraient de tester l’une des récentes théories concoctées par les chercheurs. Le modèle standard a l’avantage d’expliquer de nombreux phénomènes observés dans la nature. Toutefois, “il n’est pas très élégant : il inclut de nombreux paramètres, dont certains sont arbitraires”, constate Peter Jenni. Poursuivant dans la voie de la simplification, les scientifiques ont donc écrit un autre scénario. Ils ont imaginé un monde miroir dans lequel chaque particule connue serait associée à une autre, une sorte de superpartenaire dit “supersymétrique”. Dans les premiers instants de sa création, une infime fraction de seconde après le big bang, l’Univers devait contenir de très nombreuses superparticules. Mais elles étaient si instables qu’elles ont très vite disparu. Seul le neutralino aurait perduré, et sa présence pourrait expliquer de quoi est faite la fameuse “matière noire” – la masse manquante, comme l’appellent aussi certains astrophysiciens. Elle occupe la majeure partie de l’Univers et demeure pourtant invisible aux lentilles des télescopes car elle n’émet ni n’absorbe aucun rayonnement. En recréant les densités d’énergie qui régnaient peu après le big bang, le LHC devrait donc jeter de nouveaux ponts entre la physique des particules et la cosmologie.
Mais, au-delà de ces attentes, “on se prépare à des surprises”, souligne Francesca Nessi-Tedaldi, qui n’exclut pas la découverte de particules que les théoriciens n’ont pas encore imaginées, et qui pourraient les conduire à revoir leur copie. “Nous nous lançons dans un voyage dans l’inconnu”, reprend en écho Peter Jenni, qui n’hésite pas à comparer les utilisateurs de l’accélérateur à Christophe Colomb. Que se passerait-il si les aventuriers du XXIe siècle ne découvraient ni les Indes ni l’Amérique, mais échouaient sur des terres déjà explorées ? Si, après toutes ces débauches d’argent, d’énergie, de temps et de matière grise, le LHC ne ­trouvait rien de nouveau ? Cette hypothèse, Lyn Evans, responsable de la construction de l’accélérateur, l’accueille dans un éclat de rire. “Franchement, je ne peux pas l’imaginer”, lâche-t-il.

Le cauchemar des physiciens : le Higgs et rien d’autre

La physique avance à un rythme qui lui est propre, explique le physicien gallois. Des expériences conduisent à des découvertes que les théoriciens tentent d’expliquer, ce qui les conduit à postuler de nouvelles découvertes à venir. “Actuellement, nous sommes dans une période assez stérile, car cela fait longtemps que la théorie a fait des prédictions, mais on ne disposait pas de l’outil nécessaire pour les tester.” Le nouvel accélérateur répond à ce besoin. Malgré tout, il reste envisageable que les bosons de Higgs refusent de se laisser piéger dans les détecteurs.
Mais il existe un autre scénario possible, que certains théoriciens craignent au point de l’avoir baptisé le “cauchemar des physiciens” et qu’ils résument ainsi : “Le Higgs et rien d’autre.” On trouverait le chaînon manquant et le modèle standard serait bouclé. Mais, du coup, les physiciens se trouveraient dans une impasse puisqu’ils n’auraient plus rien à découvrir. Pour ces Cassandre, si le LHC ne détectait pas, en bonus, une pléthore de nouvelles particules, il vaudrait mieux qu’il ne trouvât rien. Cette hypothèse laisse Peter Jenni assez sceptique. “On s’est engagés à chercher le boson de Higgs et, s’il existe, à le trouver. Si l’on y parvient, ce ne sera pas rien.” Bien sûr, ajoute-t-il, “nous préférerions trouver des choses nouvelles”, même si, dans ce domaine, “on ne peut rien garantir”. Malgré tout, Francesca Nessi-Tedaldi n’exclut pas un synopsis “plus monotone”. Le LHC pourrait par exemple ne produire “que” des bosons W’ et Z’ , c’est-à-dire de simples cousins des particules W et Z qui avaient été découvertes en 1983 grâce à l’ancien accélérateur SPS, puis étudiées en détail dans le LEP. “Ce serait beaucoup moins excitant que le Higgs ou le neutralino”, avoue la physicienne de l’Ecole polytechnique fédérale de Zurich (EPFZ).
Prudents, les physiciens sont prêts à faire face à ces différents scénarios. “On ne peut pas exclure que la nature nous pose un lapin”, admet Francesca Nessi-Tedaldi. Toutefois, à l’instar de la chercheuse tessinoise, la plupart d’entre eux sont persuadés que, d’une façon ou d’une autre, ils ne seront pas déçus car, “selon les théories en vigueur, il faut qu’il se passe quelque chose”. Quoi ? Les prochaines années le diront.

Elisabeth Gordon




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http://www.courrierinternational.com/article.asp?obj_id=84982

LHC : une clé pour le futur ! - 09/09/2008
C’est la machine la plus complexe conçue et réalisée dans toute l’histoire de l’humanité. Le Large Hadron Collider, ou LHC, va recréer les conditions de la naissance de l’Univers et partir à la recherche de la mystérieuse matière noire et peut-être nous révéler un monde avec des dimensions spatiales supplémentaires. En plus de changer radicalement notre vision du monde et de la place que nous y occupons, il pourrait changer notre vie par l’intermédiaire de la bio-informatique. Nous vous proposons donc une petite visite de l’une des cathédrales de l’esprit humain grâce à ce dossier.

« Nous vivons encore dans l’enfance de l’espèce humaine, tous les horizons que sont la biologie moléculaire, l’ADN, la cosmologie commencent juste à s’ouvrir. Nous sommes justes des enfants à la recherche de réponses et à mesure que s’étend l’île de la connaissance, grandissent aussi les rivages de notre ignorance. Sûrement un jour, on peut l’espérer, nous saisirons l’idée centrale derrière toute chose. Elle sera si simple, si belle, si convaincante que nous nous dirons alors "Oh, comment cela aurait-il pu être autrement ! Comment avons-nous fait pour rester aveugle aussi longtemps !" » John Wheeler (1911-2008).

La circulation des faisceaux de protons le 10 septembre 2008 à l’intérieur des 27 kilomètres de tube sous ultravide du LHC, le Large Hadron Collider ou Grand Collisionneur de Hadrons, est l’aboutissement de l’un des grands projets de l’humanité dont l’envergure ne peut se comparer qu’avec le projet Apollo. Comme ce dernier, l’aventure qui commencera lorsque les collisions de protons recréeront les conditions qui régnaient dans l’Univers observable moins d’un milliardième de seconde après sa « naissance », promet non seulement de changer notre vision du monde mais aussi de catalyser de nouveaux bonds technologiques, comme ce fut le cas avec l’électronique et l’informatique lors de la course à la Lune.

Retrouver l’Unité du monde qui doit se cacher, les physiciens en sont convaincus, derrière les phénomènes, telle est leur ambition. Elle prend ses racines dans les spéculations des philosophes Ioniens et surtout des Eléates de la Grèce Antique, mais on peut la trouver aussi dans celles des philosophes indiens, comme en témoigne par exemple, l’Isha Upanishad. Toutes les spéculations du monde ne valent rien si elles ne sont pas confrontées à l’expérience, et c’est pourquoi le LHC a été construit. Il va nous permettre de tester nos théories sur le monde de l’infiniment petit mais aussi de l’infiniment grand car l’un et l’autre sont intimement liés, comme la cosmologie et la toute jeune discipline des astroparticules le montrent de plus en plus. Avec la fournaise dépassant les 2.000 milliards de degrés que les physiciens vont produire lors des collisions de protons, ils espèrent apprendre les secrets de la matière noire qui domine le monde des galaxies et même, peut-être, découvrir si des mondes parallèles peuvent exister, comme le suggère la très spéculative théorie des cordes.

http://www.futura-sciences.com/fr/doc/t/physique/d/lhc-une-cle-pour-le-futur_838/c3/221/p1/
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Que va trouver le Grand collisionneur de hadrons ?
par Catherine Frammery

Article publié le 09/09/2008


Une scientifique regarde des écrans d'ordinateurs au centre de contrôle du LHC du CERN à Genève.
(Photo : Reuters)

C‘est un projet unique, pionnier et gigantesque : mercredi 10 septembre 2008 le CERN, l’organisation européenne pour la recherche nucléaire, met en service le plus grand accélérateur de particules du monde, installé dans un anneau souterrain de 27 kilomètres de long à la frontière franco-suisse. L’objectif est de fournir de nouvelles données sur les composants fondamentaux de la matière.

Prononcez le mot de LHC à un physicien théoricien et vous verrez son regard s’éclairer, et son esprit vagabonder : le LHC (acronyme de Large hadron collisionner) est ce qu’il y a de plus proche du Saint Graal pour ceux qui ont fait profession de comprendre pourquoi les étoiles « tiennent » dans le « ciel », ou pourquoi les atomes défient les lois de la gravité. Car le LHC promet d’apporter sinon de nouvelles réponses, en tout cas des millions de nouvelles données qui, à terme, permettront d’en savoir plus dans les domaines de l’énergie, de l’espace et du temps.

600 millions de collisions par seconde


Le LHC utilise en fait un tunnel gigantesque, construit dans les années 1980 pour le précédent grand accélérateur du CERN, le Grand collisionneur électro-positon, un anneau de 27 kilomètres de long, installé entre 50 et 150 mètres dans le sous-sol français et suisse tout près de Genève. C’est là que vont circuler, en sens inverse, deux faisceaux de particules identiques (des protons), guidés par de gigantesques aimants supra-conducteurs, dans des tubes où règne un vide comparable à celui de l’espace inter-sidéral.

Chaque faisceau est formé de quelque 3 000 paquets de particules, chaque paquet contenant 100 milliards de particules. Celles-ci sont bien trop petites pour qu’elles se percutent lorsque les deux faisceaux se croisent : la probabilité n’est que de 20 collisions sur 200 milliards de particules. Mais c’est là où l’ampleur du LHC change la donne pour les scientifiques : grâce à cette fantastique machine, les paquets vont se croiser 30 millions de fois par seconde, le LHC va donc produire jusque 600 millions de collisions par seconde.

Recréer les conditions qui existaient juste après le Big bang

Quatre centres détecteurs géants, plus hauts que des immeubles parisiens, sont chargés d’accueillir ces collisions, qui provoqueront de mini-explosions, une sorte de feux d’artifice qu’il s’agira ensuite d’analyser. Car ce sont les collisions que guettent les physiciens. En faisant percuter ces hadrons à une vitesse toute proche de celle de la lumière, et à de très hautes énergies, le LHC tente de reproduire les conditions qui existaient quelques millièmes de seconde après le Big Bang.

A quoi ressemblait la matière au tout début de l’univers, ? Peut-il y avoir d’autres dimensions ? Qu’est-ce que la masse ? Comment concilier l’espace temps d’Einstein et la physique quantique … Ces questions ne sont que quelques exemples de celles auxquelles le LHC pourra fournir -du moins l'espèrent fortement les scientifiques- sinon des réponses, au moins des éléments de réponse.

Le boson de Higgs

Parmi les cibles du LHC figure le boson de Higgs, du nom de son « inventeur » en 1963. Le boson de Higgs est une particule instable, parfois qualifiée de « particule de Dieu » car, si elle a été étudiée théoriquement, si son existence est nécessaire pour valider le Modèle standard de physique des particules tel qu’il est admis aujourd’hui, elle n’a pourtant jamais été mise en évidence dans aucune expérience… Pourtant, c’est elle qui donnerait leur masse aux choses. Trouver ce boson de Higgs, chaînon manquant –et le trouver avant les Américains, disent même certains- serait évidemment une très belle victoire pour le CERN.

Le CERN, fondé en 1954, est avant tout un organisme européen, comprenant 20 membres, dont les plus gros bataillons sont fournis par l’Italie, l’Allemagne, la France et le Royaume Uni. Les Etats-Unis ou la Russie ont le statut d’observateurs seulement. Le CERN a investi plus de 6 milliards d’euros au total dans le LHC, payés par ses membres.

Le LHC est néanmoins un pur produit de la collaboration mondiale : ce sont en tout quelque 10 000 scientifiques issus de 500 instituts et entreprises du monde entier qui ont travaillé pour le LHC depuis 1994 – à l’heure où même les super-aimants supra-conducteurs n’existaient pas encore !


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http://www.rfi.fr/sciencefr/articles/105/article_72102.asp

Le chercheur britannique Peter Higgs, qui a donné son nom à une particule faisant figure de Graal de la physique, a prédit mercredi que le Grand collisionneur de Hadrons (LHC), mis en route le jour même, permettrait sans doute de détecter le "boson de Higgs".

"Je pense que c'est assez probable", a déclaré le Pr Higgs à Edimbourg (Ecosse), où 44 ans plus tôt il avait élaboré sa théorie révolutionnaire.


"Ce que je dis c'est que si on ne trouve rien là-bas (au LHC) alors cela signifiera que d'autres personnes et moi-même ne comprendrons plus rien à tout ce que nous savons sur ces interactions faibles et électro-magnétiques", a ajouté le scientifique âgé de 79 ans, lors d'une conférence de presse.

Le Pr Higgs a raconté que l'idée du boson ne lui est pas venue en un soudain éclair de génie mais sur la durée d'un week-end.

"Ca n'a pas été 'eureka'", a-t-il expliqué. "Je me suis progressivement rendu compte qu'il y avait quelque part dans ma mémoire quelque chose qui m'aidait à comprendre comment résoudre ce qui me préoccupait à ce moment-là".

"Lorsque je suis revenu au bureau le lundi, la première chose que j'ai faite a été de vérifier dans d'autres documents si mes souvenirs étaient corrects et si ça m'aiderait", a-t-il poursuivi.

Le LHC, plus grand accélérateur de particules au monde, a été mis en route mercredi à la frontière franco-suisse, avec pour mission de recréer les conditions d'énergie intense des premiers instants de l'univers.

Les chocs de protons dégageront brièvement une chaleur 100.000 fois supérieure à celle du coeur du Soleil et devraient permettre de détecter notamment le boson de Higgs, une mystérieuse particule qui donnerait sa masse à toutes les autres dans la théorie du "Modèle standard".

C'est bien la défaillance d'une connexion électrique qui a déclenché l'accident et l'arrêt du LHC, le Large Hadron Collider, le 19 septembre.

Le Cern a publié hier le rapport établissant la cause et le scénario de l'accident qui a sérieusement secoué l'instrument et exigera de sortir plusieurs éléments du LHC afin de les réparer d'ici fin mars 2009, avant la remise en service de l'accélérateur de particules le plus puissant du monde.

«Cet incident est un événement imprévu, a déclaré Robert Aymar, directeur général du Cern, mais je suis maintenant persuadé que nous pourrons réaliser les réparations nécessaires, faire en sorte qu’un incident similaire ne puisse pas se reproduire et continuer à poursuivre nos objectifs de recherche.» Cette confiance affichée ne repose pas sur une quelconque bonne surprise qui aurait attendu les ingénieurs et techniciens du Cern lorsqu'ils ont enfin pu ouvrir la bête et faire un bilan détaillé des dégâts. L'analyse de l'incident fait au contraire apparaître que la machine a subi un choc violent, allant jusqu'à arracher des cryostats de leur ancrage au sol dans le tunnel.

L'incident a bien démarré à la suite de la création d'un "zone résistive" - autrement dit la perte de la supraconductivité - lors de la montée en intensité du courant dans les dipôles principaux (image ci-contre). S'en est suivie toute une série de mécanismes automatiques de protection visant à faire chuter le courant et à déclencher des "transitions résistives" dans les aimants, qui ont, pour l'essentiel bien fonctionné. Toutefois, tous ces mécanismes n'ont pas suffi à éviter la formation d'un arc électrique puissant qui a perforé l'enceinte d'hélium froid. Le gaz s'est alors déversé dans le vide d'isolation du cryostat. Du gaz s'est également infiltré dans le tube à vide où circule le faisceaux de protons. La pression d'hélium a dépassé la pression atmosphérique, ce qui a ouvert des sortes de soupapes de sécurité et envoyé de l'hélium dans le tunnel.

Le résultat des inspections détaillées montre qu'il faudra réparer cinq quadripôles et 24 dipôles. Tous ces éléments devront être sortis du tunnel et remontés dans les hangars du Cern, en surface, pour ces réparations délicates. Une manipulation qui n'a rien d'anodin, même si elle avait été prévue par les ingénieurs. Le rapport indique même que d'autres éléments seront peut-être remontés afin de les nettoyer complètement et de changer des structures isolantes. Le Cern affirme disposer de toutes les pièces de rechanges nécessaires à ces travaux. Quant au tube à vide du faisceau contaminé au delà des aimants qui seront déplacés, le Cern espère pouvoir le nettoyer en pla