مصادم هادرون الكبير (Large Hadron Collider

Large Hadron Collider

/ 46.23333, 6.05
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Tunnel du LHC avec tube contenant les électroaimants supraconducteurs.
Situation du LHC

Le Large Hadron Collider (LHC, ou Grand collisionneur de hadrons[1] en français) est un accélérateur de particules mis en fonctionnement le 10 septembre 2008[2] et inauguré officiellement le 21 octobre 2008 au CERN. Situé à la frontière franco-suisse, c'est le plus puissant accélérateur de particules au monde construit à ce jour, dépassant en termes d'énergie le Tevatron aux États-Unis. Il est même présenté comme le plus grand dispositif expérimental jamais construit pour valider des théories physiques[Note 1].

Le LHC a été construit dans le tunnel circulaire (26,659 km de circonférence[3]) de son prédécesseur, le collisionneur LEP (Large Electron Positron). À la différence de ce dernier, ce sont des protons — de la famille des hadrons — qui sont accélérés pour produire des collisions, en lieu et place des électrons ou des positrons pour le LEP.

Ces protons seront accélérés jusqu'à une énergie de 7 TeV, soit près de 7 500 fois leur énergie de masse. L'énergie totale de deux protons incidents sera ainsi de 14 TeV. Le LHC sera également utilisé pour accélérer des ions lourds comme le plomb avec une énergie totale de collision de 1 150 TeV pour le noyau dans son ensemble soit un peu plus de 2,75 TeV par nucléon qu'il contient.

Six détecteurs, dont quatre de très grande taille, sont installés sur cet accélérateur, à savoir ATLAS, CMS, TOTEM, LHCb, ALICE et LHCf (voir leur description détaillée).
Un diagramme de Feynman montrant une voie possible de génération d'un boson de Higgs au LHC. Ici deux quarks émettent des bosons W ou Z0 qui se combinent pour former un boson de Higgs neutre.

Objectifs
Les physiciens espèrent apporter des éléments de réponse à plusieurs questions concernant la physique des particules et la cosmologie à l’aide de ces détecteurs :

* Le modèle standard décrit de façon remarquablement précise la physique des particules. Il prédit l'existence d'une particule, appelée boson de Higgs, dont la détection est un des objectifs prioritaires du LHC car il permettrait de tester la validité de certaines théories (telle que la théorie des cordes).
* De nombreux arguments théoriques privilégient l'existence de ce que l'on appelle la supersymétrie, qui prédit que chaque type de particule connue possède un alter-ego appelé superpartenaire. La mise en évidence de la supersymétrie est le second enjeu du LHC.
* De très nombreux modèles de supersymétrie existent. Si la supersymétrie est détectée, le LHC sera en mesure de faire le tri entre les modèles viables.
* Les observations cosmologiques indiquent qu'une grande partie (96 %) de la masse de l'univers est sous forme de constituants inconnus en laboratoire. L'un de ces constituants, appelé, faute de mieux le connaître, la "matière noire", pourrait être mis en évidence au LHC.
* Des modèles de physique des hautes énergies, notamment la théorie des cordes, prédisent l'existence de dimensions supplémentaires en sus des quatre dimensions (3 + le temps) d'espace que nous connaissons. Certaines collisions réalisées au LHC pourraient indirectement les mettre en évidence, notamment par la formation de trous noirs microscopiques.
* Il semble probable que matière et antimatière existaient en quantités égales lors du Big Bang. Par la suite, un phénomène très mal connu a vraisemblablement généré un léger surplus de matière sur l'antimatière (ce phénomène est appelé baryogénèse). Matière et antimatière se sont ensuite annihilées en quantités strictement égales, ne laissant au final que l'infime surplus de matière. Le LHC pourrait être en mesure de mieux expliquer ce processus.
* Les noyaux atomiques sont constitués de protons et de neutrons, chacun étant composé d'entités plus élémentaires appelées quarks. Les quarks n'existent aujourd'hui pas isolément, mais uniquement par groupes de 2 ou 3 particules (3 dans le cas des neutrons et des protons). Cette propriété est appelée confinement des quarks. Selon toute vraisemblance, à très haute température, les quarks peuvent exister isolément. Le LHC tentera de mettre en évidence cette « transition de déconfinement », et les propriétés de ce nouvel état de la matière appelé plasma quark-gluon.
Historique
Le projet de construire un grand collisionneur de hadrons fut officiellement approuvé en décembre 1994, pour succéder au LEP. Les quatre grands détecteurs installés (ATLAS, CMS, ALICE et LHCb) furent approuvés entre 1996 et 1998. Sa mise en service était initialement prévue pour 1999 mais des retards multiples, techniques et financiers, la repoussèrent successivement à la fin de l'année 2007 puis à la fin de l'été 2008. L'arrêt du LEP eut finalement lieu en 2000, et son démantèlement, suivi du début de la construction du LHC, eut lieu presque immédiatement après. Un débat eut lieu en 2000 lors de l'arrêt du LEP. Celui-ci produisit des résultats ambigus aux plus hautes énergies auxquelles il pouvait fonctionner (un peu plus de 200 GeV), suggérant la mise en évidence du boson de Higgs, une particule prédite par le modèle standard de la physique des particules. L'opportunité de prolonger la durée de vie du LEP afin de confirmer ce résultat fut opposée à celle de démanteler le LEP afin de construire le LHC le plus rapidement possible. Ce fut finalement la seconde solution qui fut retenue, la sensibilité du LEP étant considérée comme insuffisante pour confirmer de façon indiscutable l'existence du boson de Higgs, et le risque que le boson de Higgs soit découvert dans l'intervalle par le Tevatron, installé aux États-Unis, étant considéré comme limité.

Un projet d'accélérateur similaire mais plus puissant (énergie de 20 TeV par proton au lieu de 7 pour le LHC) avait également été proposé aux États-Unis, le Superconducting Super Collider (SSC), mais fut abandonné pour diverses raisons budgétaires en 1993.

Le coût total du projet est pour le CERN de 6 milliards de francs suisses[4]. La construction du LHC lui-même se monte à 4,6 milliards de francs suisses, dont une masse salariale de 20 %. La part financée par le CERN dans la construction des détecteurs se monte à 1,1 milliard de francs suisses, plus une contribution majoritaire hors CERN (le CERN finance 20 % de CMS et LHCb, 16 % de ALICE et 14 % de ATLAS). Un peu moins de 300 millions de francs suisses ont été également investis dans l'amélioration de l'injecteur (la chaîne d’accélérateurs qui produit les faisceaux et les injecte dans l'anneau principal) et les moyens informatiques. Tous les éléments de l'accélérateur et de ses expériences (détecteurs) étaient en place fin 2007-début 2008.
Médiatisation de craintes autour des conséquences de la mise en opération


Si la presse scientifique a surtout souligné les enjeux scientifiques de l'expérience, un des aspects les plus traités par la presse généraliste est constitué par les actions en justice de quelques scientifiques qui demandent la suspension de l'expérience par crainte de création de micro trous noirs au LHC. En astrophysique, un trou noir est décrit comme un objet engloutissant tout sur son passage, mais les trous noirs microscopiques susceptibles d'être créés au LHC ne partageraient pas cette propriété. Dans le cas où ils seraient néanmoins produits, ils seraient, du fait de leur masse, soumis au phénomène d'évaporation des trous noirs prédit par Stephen Hawking en 1975 et disparaîtraient avant d'avoir eu le temps d'absorber la matière environnante. Le phénomène d'évaporation des trous noirs n'ayant jamais été observé expérimentalement, et étant méconnu du grand public, les risques de l'expérience n'ont pas pu être réfutés formellement et sont devenus un sujet populaire.

Le 21 mars 2008, deux personnes, Walter L. Wagner et Luis Sancho ont cependant intenté un procès au CERN devant la cour d'Honolulu à Hawaï au motif que le collisionneur pourrait se révéler dommageable d'une manière ou d'une autre, par exemple en créant un trou noir. Leur plainte a été jugée recevable[5], pour être ensuite définitivement rejetée[6]. Une autre plainte a été déposée, fin août 2008, en Europe, devant la Cour européenne des droits de l’homme de Strasbourg pour les mêmes raisons[7]. La plainte a finalement été rejetée quelques jours plus tard[8].

À la suite de ces affaires, plusieurs chercheurs, puis le CERN, ont publié divers documents[9],[10],[11] sur la sécurité du LHC, concluant que l'accélérateur est sûr[12]. Le principal argument mis en avant est que la haute atmosphère terrestre, et en fait tous les corps célestes, sont continuellement bombardés de particules très énergétiques, les rayons cosmiques. L'énergie dégagée par ces collisions peut parfois être bien supérieure à celle mise en jeu dans un accélérateur de particules sur Terre comme le LHC, aussi sont-ils certains que quels que soient les effets secondaires de ces réactions, ils ne seront pas dangereux pour la biosphère, sans quoi elle n'aurait pu se développer pendant plusieurs milliards d'années.

La crainte que des collisions de particules élémentaires donnent lieu à un événement catastrophique n'est pas nouvelle, elle remonte à près de dix ans. Lors de la mise en service du collisionneur d'ions lourds Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) du Laboratoire national de Brookhaven (État de New York), le physicien Alvaro de Rujula et deux collaborateurs avaient imaginé un scénario catastrophe susceptible, en principe, de provoquer la destruction de la Terre[13]. L'affaire avait à l'époque également suscité suffisamment d'intérêt pour nécessiter une analyse détaillée expliquant l'innocuité d'une telle expérience[14].
[modifier] Premier faisceau dans le LHC

Le LHC a été finalement lancé le 10 septembre 2008. Un communiqué de presse du CERN a rapporté en ces termes l'injection du premier faisceau dans l'accélérateur : « Moment historique dans le Centre de contrôle : le faisceau vient d'effectuer un tour complet de l'accélérateur. Genève, 10 septembre 2008. À 10h28 ce matin, le premier faisceau injecté dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN a fait le tour complet de l’anneau de 27 kilomètres qui abrite l’accélérateur de particules le plus puissant du monde. Cet événement historique marque la transition vers une nouvelle ère de découvertes scientifiques qui se prépare depuis plus de vingt ans »[15].

Le LHC a été arrêté une première fois quelques jours après, en raison d'un problème électrique affectant le système de refroidissement. Il a été remis en route le 18 septembre 2008, avant d'être de nouveau arrêté, et pour un peu plus d'une année, à cause d'un incident lors d'un test. Selon un communiqué du CERN[16], le problème vient d'une importante fuite d'hélium survenue dans le tunnel. Cette fuite a été occasionnée par un problème de connexion électrique qui a entraîné la fonte de deux aimants[17].

L'accélérateur a été redémarré le 23 octobre 2009 avec l'injection de protons et d’ions lourds[18] et le 7 novembre 2009, les premières particules étaient détectées dans le détecteur CMS[19].

Le 20 novembre 2009, le faisceau de protons réalise de nouveau plusieurs tours complets du collisionneur. Le redémarrage se fait progressivement à une énergie de 1,2 TeV maximum dans un premier temps[20]. Le 30 novembre 2009, le CERN indique avoir fait circuler dans le LHC le faisceau le plus énergétique du monde en ayant conféré aux protons une énergie de 1,18 TeV battant le record établi précédemment par l’accélérateur de particules américain Tevatron[21],[22].
[modifier] Premières collisions

Le lundi 23 novembre 2009, marque la première collision de faisceaux de particules au sein de l'instrument. En début d'après-midi, après que deux faisceaux de protons aient circulé en sens inverse, ils se sont rencontrés au niveau du détecteur ATLAS. Puis, plus tard dans la soirée, l'expérience a été renouvelée aux niveaux des détecteurs CMS, ALICE et LHCb[23]. Le 28 novembre 2009, les physiciens de la collaboration ALICE ont publié sur arXiv, un papier sur les premières collisions de protons au sein de ce détecteur[24]. Le 8 décembre 2009, les collisions de particules les plus énergétiques produites dans un accélérateur ont eu lieu. L'énergie totale a atteint 2,36 TeV battant ainsi le précédent record du Tevatron[25].

À partir de mi-décembre 2009 a eu lieu un arrêt technique qui s'est achevé fin-février 2010 ; le but était de préparer la machine à une exploitation à 3,5 TeV par faisceau pendant l'année 2010[26]. Cela a permis d'effectuer des collisions avec une énergie totale de 7 TeV le 30 mars 2010[27] mais avec une luminosité de 1×1027 cm-2⋅s-1 très inférieure à la cible nominale du LHC. Le mois de mai a permis un accroissement par 6 de l'intensité des faisceaux de protons et par 60 de la luminosité des collisions[28]. Cette luminosité a continué de croître pendant tout l'été 2010 par augmentation du nombre de paquets injectés jusqu'à atteindre en septembre une luminosité de 2×1031 cm-2⋅s-1[29]. L’objectif de luminosité crête fixé pour 2010 a été dépassé le 14 octobre avec une luminosité atteinte de 1,48×1032 cm-2⋅s-1[30].

Le 4 novembre 2010, les faisceaux de protons ont été arrêté pour être remplacé par des faisceaux d'ions lourds et en particulier des faisceaux d'ions de plomb[31].

Caractéristiques techniques

Construit dans le tunnel de 3 mètres de diamètre et de 27 km de long qui avait abrité le LEP (1989-2000), foré sous la plaine lémanique entre Genève et le Jura, passant sous le pays de Gex, à une profondeur moyenne de 100 mètres (entre 50 et 175 mètres), le LHC est d'abord un accélérateur-collisionneur circulaire de protons (protons contre protons, ou pp). Le dispositif utilise la technologie du synchrotron. Les 2 faisceaux de particules sont accélérés en sens inverse par le champ électrique à très haute fréquence des cavités accélératrices et des klystrons. Ils tournent dans deux tubes jumelés où règne un ultravide, insérés dans un même système magnétique supraconducteur refroidi par de l'hélium liquide. Des aimants additionnels sont utilisés pour diriger les faisceaux aux quatre points d'intersection où des collisions permettront des interactions entre les particules.

Le tunnel

Le tunnel dans lequel est construit le LHC est celui précédemment utilisé par le LEP, pour des raisons budgétaires. Ce tunnel est d'une longueur d'un peu moins de 27 kilomètres (26 659 mètres), et de forme approximativement circulaire. Il est en réalité composé de huit arcs de cercles appelés octants, reliés par des sections droites appelées insertions. Les huit octants sont de structure identique, et parsemés d'aimants dont le rôle est de courber le faisceau de particules.

Les travaux de creusement se déroulèrent de 1983 à 1988, utilisant entre autres trois tunneliers. À l’époque ce fut le plus vaste chantier européen avec plus de 1,4 million de mètres cube excavés. Il est à noter que l’anneau en lui-même représentait paradoxalement moins de la moitié de ce volume, le reste correspondant aux puits d’accès, aux cavernes destinées à accueillir les expériences, et à de multiples tunnels et galeries de service.

Cette entreprise ne fut pas sans difficultés : malgré la taille de l’ensemble la précision était de rigueur, et au final l’écart avec le tracé théorique n’excéda pas un centimètre ! Suite à un problème géologique, l’ouvrage ne put être construit à l’horizontale parfaite : le plan dans lequel se trouve l’anneau présente ainsi une pente de 1,4 %. Et enfin, en 1986 le tu

Les faisceaux de protons

Les protons sont accélérés à des vitesses extrêmement proches de celle de la lumière. Avec une énergie de 7 TeV, soit 7 500 fois leur énergie de masse, leur vitesse est d'environ 0,999999991 fois celle de la lumière, autrement dit, ils se déplacent seulement 2,7 mètres par seconde moins vite que la lumière (299 792 455,3 au lieu de 299 792 458 mètres par seconde)[Note 2].

Les faisceaux parcourent les 27 km de circonférence environ 11 000 fois par seconde (chaque proton se déplaçant presque à la vitesse de la lumière, il parcourt l'anneau en 89 µs). Ils sont formés chacun de 2 808 paquets très denses de particules, ce qui représente une amélioration considérable par rapport au LEP, qui ne comportait que 4 paquets. L'intervalle entre les paquets est généralement de 7,5 mètres soit un écart de 25 nanosecondes entre deux passages de paquets. Certains paquets sont beaucoup plus espacés pour diverses raisons de maintenance (injection de nouveaux paquets, ou éjection de paquets présents). Au final, chaque point de collision voit 31,5 millions de collisions entre paquets par seconde.

Chaque paquet contient 1011 protons, mais lors d'une collision seule une infime partie des protons entre en collision. Afin de maximiser les chances de collision, les paquets sont comprimés au voisinage des détecteurs, pour mesurer 16 microns, alors qu'entre les détecteurs, leur étalement peut atteindre plusieurs centimètres en longueur (le long du faisceau) et un millimètre en largeur (perpendiculairement au faisceau). Avec les capacités de focalisation des faisceaux, ce sont environ 20 collisions attendues dans une rencontre entre deux paquets, soit un peu plus de 600 millions de collisions enregistrables par seconde et par détecteur. Du fait des collisions, les paquets s'appauvrissent peu à peu. Leur durée de vie est de quelques heures.

La puissance perdue par les particules est proportionnelle à la puissance quatrième du rapport entre l'énergie du faisceau et la masse des particules accélérées et inversement proportionnelle au rayon de l'accélérateur. Les protons étant 1 836 fois plus lourds que les électrons, ils perdent 1013 fois moins d'énergie par tour que les électrons pour une énergie de faisceau donnée. Mais les protons sont des objets composites (partons), constitués de quarks et de gluons, ce qui rend l'étude des collisions plus complexe que dans le cas de collisions électrons-positrons comme c'était le cas dans le LEP. Chaque collision proton-proton sera en fait une collision entre deux constituants appartenant à l'un et à l'autre proton. Les détecteurs observeront des collisions quark-quark, quark-gluon ou gluon-gluon.


Gestion informatique

Lors du fonctionnement normal de la machine, trente millions de croisements entre les paquets de protons de l'accélérateur auront lieu chaque seconde dans chaque détecteur des quatre expériences du LHC (Alice, Atlas, CMS et LHCb). Chaque croisement générant des collisions de particules qui créent alors une multitude de particules secondaires (plus de 6 000 traces reconstituées par événement ion-lourds[35] dans un détecteur tel que CMS).

Le flot de données résultant est bien au-delà des capacités de traitement et de stockage actuelles, c'est pourquoi les événements produits sont traités en ligne par des processus de déclenchements rapides, qui rejettent les événements jugés peu intéressants avant même que les données ne soient sorties du détecteur.

Cependant, même après cette première sélection qui ne retient que quelques événements par millions produits, cela fait encore de quelques dizaines à quelques centaines d'événements par seconde, pesant chacun de l'ordre d'un mégaoctet pour les données brutes (quelques centaines de kilooctets pour les données reconstruites) qu'il s'agit de stocker puis d'analyser[36].

Au total, ce seront environ quinze pétaoctets de données qui devront être enregistrés et analysés chaque année par le système informatique associé au LHC[37].

Le CERN ne disposant pas à lui seul d'une puissance suffisante de calcul, les instituts et les physiciens travaillant à ce projet étant répartis sur toute la planète, on a choisi de répartir les données dans le monde entier pour les analyses et de créer une couche logicielle (la grille) pour ce faire[38].

La grille informatique du LHC

La grille de calcul du LHC a été nommée WLCG (Worldwide LHC Computing Grid)[39]. D'un point de vue matériel, elle est composée de plusieurs dizaines de milliers d'ordinateurs, de plusieurs dizaines de pétaoctets de stockage disque et bandes répartis dans plus d'une centaines de centres de calcul dans le monde. Cet ensemble matériel est coordonné par l'infrastructure logicielle gLite (intergiciel – en anglais middleware – de grille).

Cette grille est hiérarchisée en Tiers (niveaux) afin de répartir les rôles entre les différents centres de calcul impliqués dans WLCG. Au centre, le CERN (Tier-0) est la source des données (c'est là que se trouvent l'accélérateur et les détecteurs). Immédiatement rattaché au Tier-0 se trouve le Tier-1 qui reçoit une copie des données primaires par le biais de liaisons haut-débits dédiées (au moins 10 gigabits par seconde). L’activité de Tier-1 implique sept centres européens (dont, pour la France le centre de calcul de l'IN2P3, à Villeurbanne, qui stockera environ un dixième des données[40]), trois laboratoires américains et un laboratoire en Asie. De nombreux laboratoires plus petits (une centaine à travers le monde) forment un deuxième cercle de la structure (Tier-2) qui fournit la puissance de calcul pour les analyses et les simulations, ainsi que des espaces de stockage temporaire.

Quand le LHC fournira les données, un flux de plusieurs gigabits par seconde atteindra les Tiers-1. Ces instituts se connectent aux Tiers-2 laboratoires, à d’autres réseaux et à l’internet[41]. Au total, 140 centres informatiques, répartis sur 33 pays seront concernés. Lorsque le LHC fonctionnera à 14 TeV, les données produites annuellement atteindront 15 millions de Go, soit 15 pétaoctets.

Aux données de physique issues de collisions du faisceau s'ajoutent les données produites par les rayonnements cosmiques (utilisées pour tester les détecteurs avant que le LHC ne fonctionne), ainsi que les données issues des simulations informatiques réalisées sur la grille de calcul LCG.

La majorité des sites impliqués dans le projet LCG utilisent aussi leurs ressources informatiques pour d'autres projets scientifiques. En particulier, en Europe, la grille EGEE[42