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L’instrument scientifique le plus grand au monde se trouve à environ 100 mètres de profondeur, dans un périmètre francosuisse situé entre l’aéroport de Genève et la chaîne du Jura.Le tunnel de 26,7 kilomètres qui l’abrite a été construit dès les années 1980, pour accueillir le grand accélérateur d’électrons et positrons connu sous l’appellation de LEP (Grand collisionneur électron-positron).
Ce fut la machine principale du CERN (Conseil européen pour la recherche nucléaire) entre 1989 et 2000. Mais déjà pendant la construction du LEP, les physiciens rêvaient de construire un grand collisionneur de protons dans le même tunnel. En fait, les premiers projets considéraient la possibilité de faire fonctionner les deux machines simultanément pour produire (aussi) des collisions entre électrons et protons.
Mais l’espace disponible dans le tunnel maintint ce rêve au stade d’un projet et le LEP a été complètement démonté pour faire place au nouvel accélérateur, le LHC. Cette machine fait circuler des milliers de paquets de protons (chacun composé de cent milliards de particules) dans deux directions opposées, à une vitesse très proche de celle de la lumière.
Les particules se rencontrent en quatre points d’interaction, autour desquels quatre grands détecteurs de particules analysent les résultats des collisions. Le taux de collisions est maintenant de 20 millions de chocs entre paquets de particules par seconde, alors que la machine a été dessinée pour en produire 40 millions. De plus, chaque fois que les paquets de particules se rencontrent, en moyenne 30 protons d’un paquet interagissent avec 30 protons de l’autre paquet. Au total, le nombre de collisions dépasse 500 millions par seconde, mais la machine peut en produire plus du double, soit environ un milliard de collisions par seconde, voire davantage encore après certaines modifications.
L’accélérateur fonctionne pendant 9 à 10 mois par an, avec une prise de données continue, jour et nuit, sept jours sur sept, sauf pendant les périodes de maintenance qui peuvent durer quelques jours, ou pendant la préparation et l’accélération du faisceau de protons.
Les deux composantes principales d’un accélérateur sont les aimants et les cavités accélératrices. En effet, il n’est pas possible de fournir de l’énergie à une particule uniquement à travers un champ magnétique constant. Les aimants ne servent donc qu’à guider les particules, comme les rails d’un train. Les deux principaux types d’aimants du LHC sont les 1232 grands « dipôles », dispositifs qui courbent la trajectoire des particules pour les garder en orbite circulaire, et les 392 « quadripôles »,pour maintenir au faisceau sa dimension transversale. Sans cette focalisation, les protons, ayant tous la même charge électrique, auraient tendance à s’éloigner les uns des autres. Les cavités constituent le vrai « moteur » de l’accélérateur et donnent l’énergie permettant l’accélération des protons.
Les paquets de particules sont ainsi accélérés par des ondes électromagnétiques de fréquence égale à celle du passage des paquets. L’accélération subie par un paquet de particules, chaque fois qu’il passe par une cavité, n’est pas énorme (5 mégavolts par mètre), mais comme les protons voyagent pratiquement à la vitesse de la lumière, ils traversent les 27 kilomètres de l’accélérateur environ 11 000 fois par seconde et la phase d’accélération exige environ une demiheure. Les protons traversent donc les cavités des millions de fois avant d’atteindre l’énergie de collision.
Pour des raisons techniques, les aimants du LHC peuvent fonctionner correctement seulement dans un certain intervalle de champ magnétique et les cavités accélératrices seulement pour un certain intervalle de fréquences. Afin d’accélérer et garder sur une orbite circulaire les protons dans le LHC, il faut donc que ces particules entrent dans l’accélérateur avec une énergie suffisamment élevée. Toute l’infrastructure des anciens accélérateurs du CERN est utilisée comme système de préaccélération pour le LHC. Les protons sont produits à partir d’une simple bouteille de gaz d’hydrogène, par séparation électrostatique (de forts champs électriques séparent les protons des électrons dans les molécules d’hydrogène gazeux).
Ils sont ensuite envoyés dans un accélérateur linéaire (similaire au tube cathodique des anciens téléviseurs), dans un petit accélérateur (le booster), puis dans le Proton-Synchrotron (PS) et enfin dans le Super-Proton-Synchrotron (SPS). Les deux dernières machines ont été, lors de leur construction (dans les années 1950 et 1970), de véritables joyaux, à l’avant-garde de l’ingénierie, comme l’est aujourd’hui le LHC. Les voici donc aujourd’hui utilisées comme pré-accélérateurs. C’est là un recyclage de très haute technologie.¨
Une fois que les faisceaux de protons collisionnent, ils peuvent rester stockés plusieurs heures (le record est de plus de 24 heures), en produisant une gigantesque quantité de données. Cependant, avec le temps, l’intensité du faisceau diminue à cause des collisions entre les protons aux points d’interaction et avec les résidus d’air dans le tube de l’accélérateur, où le vide, même s’il est poussé à l’extrême, ne peut être absolu.
Après un certain temps, et pour optimiser le nombre de collisions, il est préférable de recommencer avec un nouveau faisceau plutôt que de garder celui qui se trouve affaibli dans l’accélérateur. Il faut donc sortir le faisceau de la machine, ce qui n’est pas une entreprise aisée car le faisceau du LHC, même diminué, est doué d’une énorme énergie cinétique (l’énergie d’un faisceau en pleine puissance est comparable à celle d’un train à grande vitesse, mais concentré dans un diamètre compris entre 1 millimètre et 10 microns ! Le micron est un millionième de mètre). Le simple fait d’éteindre la machine sans contrôle pourrait aboutir à la destruction de plusieurs aimants en raison de l’énergie des particules du faisceau. Les ingénieurs du LHC ont donc construit un système d’extraction du faisceau appelé beam dump (absorbeur de faisceau) : un aimant spécial fait sortir le faisceau de son orbite et l’envoie dans une région à fort champ magnétique, et ce champ envoie le faisceau en direction d’un tube externe, au bout duquel se trouve un cylindre de 7 mètres de graphite, entouré de 750 tonnes de fer et béton.
Ce dispositif peut absorber l’énorme énergie du faisceau sans dommage. Le beam dump peut entrer en fonction de façon automatique, donc sans besoin d’une intervention humaine, si l’orbite du faisceau devient instable ou si un problème survient dans un des aimants. Il vaut en effet mieux perdre quelques heures pour créer et accélérer un nouveau faisceau que de risquer des dommages permanents à l’accélérateur.
Extrait du titre Dans le grand collisionneur du CERN De Mario Campanelli Publié aux Presses polytechniques et universitaires romandes