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faq

Guide du

LHC

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Puissances de dix

Les puissances de dix sont couramment utilisées en physique et en
informatique. C’est un moyen pratique d’abréger les nombres très
grands ou très petits.

Puissances

de dix

Nombre

Symbole

–12

–9

–6

–3

–2

–1

0.000000000001

0.000000001

0.000001

0.001

0.01

0.1

100

1000

1 000 000

1 000 000 000

1 000 000 000 000

1 000 000 000 000 000

p (pico)

n (nano)

(micro)

m (milli)

k (kilo)

M (mega)

G (giga)

T (tera)

P (peta)

Quelques notions

de physique

Puissances de dix

Les puissances de dix sont couramment utilisées en physique et en
informatique. C’est un moyen pratique d’abréger les nombres très
grands ou très petits.

Puissances

de dix

Nombre

Symbole

–12

–9

–6

–3

–2

–1

0.000000000001

0.000000001

0.000001

0.001

0.01

0.1

100

1000

1 000 000

1 000 000 000

1 000 000 000 000

1 000 000 000 000 000

p (pico)

n (nano)

(micro)

m (milli)

k (kilo)

M (mega)

G (giga)

T (tera)

P (peta)

faq

Guide du

LHC

À l’intérieur de l’atome

La physique des particules étudie les composantes les plus minus-
cules de la nature. Elle s’intéresse à l’infiniment petit, aux élé-
ments fondamentaux, mais également à l’infiniment lointain dans le
temps, c’est-à-dire quelques instants seulement après le Big Bang.
Voici quelques exemples de dimensions auxquelles ont affaire les
physiciens des particules.

Atome : 10

-10

Noyau : 10

-14

Quarks : < 10

-19

Si les protons et les neutrons
avaient  un  diamètre  de
10 cm, les quarks et les élec-
trons  mesureraient  moins
de 0,1 mm et un atome en-
tier ferait environ 10 km de
diamètre. Un atome est cons-
titué à plus de 99,99 % de
vide.

Unités d’énergie en physique

En physique, il existe beaucoup d’unités de mesure de l’énergie, tel-
les que les joules, les calories et les kilowattheures, qui s’emploient
chacune dans des contextes différents. Ces trois unités sont liées
par des facteurs de conversion, mais seul le joule fait partie du
Système international d’unités (SI). En physique des particules,
l’unité d’énergie la plus fréquemment utilisée est l’électronvolt (eV)
et ses dérivés, les keV (10

eV), MeV (10

eV), GeV (10

eV) et Tev

(10

eV). L’électronvolt est une unité commode car les quantités

d’énergie étudiées par les physiciens des particules sont très pe-
tites. Dans le cas du LHC par exemple, l’énergie totale dégagée par
une collision est de 14 TeV, ce qui en fait l’accélérateur de parti-
cules le plus puissant du monde. Pourtant, si l’on convertit cette
quantité en joules, on obtient :

14 x 10

x 1.602 x 10

–19

= 22.4 x 10

–7

joules.

Il s’agit d’une très petite quantité d’énergie si on la compare, par
exemple, à l’énergie dégagée par la chute d’une hauteur de 1 m d’un
objet pesant 1 kg, à savoir : 9,8 joules = 6,1 x 10

électronvolts.

La  définition  de  l’électronvolt  découle  d’un  calcul  sim-
ple  :  un  électron  accéléré  par  une  différence  de  potentiel  de
1  volt  a  une  quantité  d’énergie  discrète,  E  =  qV  joules,  où  q
représente  la  charge  de  l’électron  en  coulombs  et  V  la  dif-
férence  de  potentiel  en  volts.  D’où  1 eV = (1.602 x 10

–19

x (1 V) = 1.602 x 10

–19

Atome

Électron

Noyau

Molécule

Proton

Quarks

Matière

Nucléon

Guide du

LHC

Unités d’énergie en physique

eV), MeV (10

eV), GeV (10

eV) et Tev

(10

eV). L’électronvolt est une unité commode car les quantités

14 x 10

x 1.602 x 10

–19

= 22.4 x 10

–7

joules.

électronvolts.

–19

x (1 V) = 1.602 x 10

–19

Guide du

LHC

Énergie et vitesse d’une particule

Aucune particule ne peut se déplacer à une vitesse supérieure à
celle de la lumière dans le vide. En revanche, l’énergie que peut
atteindre une particule est illimitée. Or, dans les accélérateurs de
haute énergie, les particules circulent normalement à une vitesse
très proche de celle de la lumière. Dans ces conditions, lorsque la
quantité d’énergie s’accroît, la vitesse augmente très peu. Dans le
LHC par exemple, les particules se déplacent à 0,999997828 fois la
vitesse de la lumière au moment de l’injection (énergie = 450 GeV)
et à 0,999999991 fois la vitesse de la lumière à énergie maximale
(énergie = 7000 GeV). C’est pourquoi, en physique des particules, on
ne se réfère généralement pas à la vitesse, mais plutôt à l’énergie
d’une particule.

Le rapport newtonien classique entre vitesse et énergie ciné-
tique (E

= (1/2)mv

) ne fonctionne que pour des vitesses

largement inférieures à celles de la lumière. Pour les particules
se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière, il con-
vient d’utiliser l’équation de la relativité restreinte d’Einstein :
E

= (

– 1)mc

où c représente la vitesse de la lumière, m la

masse des particules au repos et où

est lié à la vitesse par

l’équation

= 1/

√

(1 –

);

4 mc

3 mc

2 mc

0,2 c

0,4 c

0,6 c

0,8 c

vitesse v

E = mc

énergie

cinétique

énergie

repos

E =

éner

gie

Réf: http://www.phys.unsw.edu.au/einsteinlight/jw/module5_equations.htm

Énergie cinétique d’un

proton (K)

Vitesse (%c)

Accélérateur

50 MeV

1.4 GeV

25 GeV

450 GeV

7 TeV

31.4
91.6

99.93

99.9998

99.9999991

Linac 2

Booster PS

SPS

LHC

Relation entre l’énergie cinétique et la vitesse d’un proton dans les

accélérateurs du CERN. La masse au repos du proton est 0.938 GeV/c

Énergie et masse

Énergie et masse sont deux aspects d’un même phénomène.
Conformément à la célèbre équation d’Einstein (E = mc

), la masse

peut  se  transformer  en  énergie  et  inversement.  Dans  le  LHC,
une  telle  transformation  se  produit  lors  de  chaque  collision.  En
outre,  en  raison  de  cette  équivalence,  masse  et  énergie  peuvent
être  mesurées  avec  les  mêmes  unités.  À  l’échelle  de  la  physique
des particules, il s’agit de l’électronvolt et de ses multiples (voir
« Unités d’énergie en physique »).

Guide du

LHC

Énergie cinétique d’un

proton (K)

Vitesse (%c)

Accélérateur

50 MeV

1.4 GeV

25 GeV

450 GeV

7 TeV

31.4
91.6

99.93

99.9998

99.9999991

Linac 2

Booster PS

SPS

LHC

Relation entre l’énergie cinétique et la vitesse d’un proton dans les

accélérateurs du CERN. La masse au repos du proton est 0.938 GeV/c

Énergie et masse

Énergie et masse sont deux aspects d’un même phénomène.
Conformément à la célèbre équation d’Einstein (E = mc

), la masse

Guide du

LHC

Électron

Un des composants de
l’atome, avec le nucléon.

Neutrino-Électron

Particule sans charge
électrique et avec une très
petite masse. Des milliards de
ces particules traversent votre
corps à chaque seconde.

Muon

Très proche de l’électron,
mais plus lourd ;
il a une durée de vie de
2 millionièmes de secondes.

Neutrino-Mu

Créé en même temps que
les muons quand certaines
particules se désintègrent.

Tau

Encore plus lourd ;
il est légèrement
instable.
Il a été découvert en 1975.

Neutrino-Tau

Découvert en
2000.

Sa charge électrique est
+ 2/3

; les protons

en contiennent deux, les
neutrons en contiennent un.

Down

Il a une charge électrique
de -1/3

; les protons en

contiennent un, les
neutrons en contiennent deux.

Charmé

Un proche du « Up »,
mais plus lourd.
Découvert en 1974.

Étrange

Un proche du « Down »,
mais plus lourd.

Top

Encore plus lourd ;
découvert en 1995.

Beauté

Encore plus lourd ;
mesurer les quarks
beauté est un test
important de la théorie
électro-faible.

LEPTONS

QUARKS

s d

atièr

s d

atièr

Guide du

LHC

Ressentie par les quarks

Portée par les gluons

Ressentie par les quarks et
les leptons chargés

Portée par les photons

Phénomènes

associés

FORCE FORTE

FORCE ÉLECTROMAGNÉTIQUE

Phénomènes

associés

La force forte lie
entre eux les quarks,
qui constituent ainsi
des protons et des
neutrons (et d’autres
particules).

C’est aussi elle qui lie les protons
et les neutrons dans le noyau, en
surmontant l’énorme répulsion
électrique qui s’exerce entre les
protons.

La force électro-
magnétique lie les
électrons au noyau,
à l’intérieur de
l’atome, permet aux
atomes de former
des molécules,
et est à l’origine
des propriétés des
solides, des liquides
et des gaz.

Gluons

Photons

Guide du

LHC

Phénomènes

associés

La gravité fait tomber
les pommes des
arbres. C’est une force
d’attraction. À l’échelle
astronomique, elle fait
tenir la matière dans
les planètes et les
étoiles, et rassemble
les étoiles pour former
des galaxies.

Phénomènes

associés

La force faible est
celle qui suscite
la radioactivité
naturelle, par
exemple celle
qu’on trouve dans
la Terre. C’est

Ressentie par les quarks
et les leptons
Portée par les bosons
W et Z

FORCE FAIBLE

FORCE GRAVITATIONELLE

Ressentie par toutes les
particules possédant une
masse
Portée par les gluons

Graviton

aussi un facteur essentiel des
réactions nucléaires dans les
centres des étoiles telles que
le Soleil, où l’hydrogène est
converti en hélium.

Bosons

Guide du

LHC

Le complexe d’accélérateurs du CERN

Ce complexe est formé d’une succession d’accélérateurs d’énergies
toujours croissantes. Chacun injecte un faisceau dans la machine
suivante, qui prend le relais pour porter ce faisceau à une énergie
encore plus élevée, et ainsi de suite. Dans le LHC – le dernier élément
de la chaîne – chaque faisceau de particules est accéléré jusqu’à
l’énergie record de 7 TeV. De plus, la plupart des autres machines de
la chaîne sont dotées de leur propre hall d’expérimentation, dans
lequel les faisceaux sont utilisés pour des expériences réalisées à
des énergies plus basses.

Voici la brève histoire d’un proton accéléré par le complexe
d’accélérateurs du CERN :

}

Des atomes d’hydrogène sont extraits d’une bouteille

d’hydrogène ordinaire. On obtient des protons en arrachant à
des atomes d’hydrogène leur électron en orbite.

}

Les protons passent du Linac2 dans l’injecteur du Synchrotron

à protons (PS Booster, PSB) à une énergie de 50 MeV.

Le  PSB  les  accélère  à  1,4  GeV.  Le  faisceau  est  ensuite  injecté
dans le Synchrotron à protons (PS), où son énergie est portée à
25 GeV. Puis les protons sont envoyés dans le Supersynchrotron
à protons (SPS), où ils sont accélérés à 450 GeV. Enfin, ils sont
transférés dans le LHC (dans le sens des aiguilles d’une montre
et inversement, avec un temps de remplissage de 4 min 20 s par
anneau),  où  ils  sont  accélérés  pendant  20  minutes  pour  être
portés à l’énergie nominale de 7 TeV. En conditions d’exploitation
normales, les faisceaux circulent pendant plusieurs heures dans
les tubes du LHC.
Les  protons  arrivent  dans  le  LHC  sous  forme  de  paquets,  qui
sont préparés dans les machines plus petites. Pour un schéma
détaillé du remplissage, des champs magnétiques et des courants
de particules dans la chaîne d’accélérateurs, voir les annexes 1
et 2.

Guide du

LHC

Le complexe d’accélérateurs accélère, non seulement les protons,
mais aussi les ions plomb.
Les ions plomb sont produits à partir d’un échantillon de plomb
d’une extrême pureté chauffé à une température d’environ
500°C. Les ions ainsi produits portent des charges très variables,
avec un maximum aux environs de Pb

29+

. Ces ions sont sélec-

tionnés puis accélérés à une énergie de 4,2 MeV/u (énergie par
nucléon), avant de passer au travers d’une feuille de carbone qui
les « épluche » et les transforme pour la plupart en Pb

54+

. Une

fois accumulés, les ions Pb

54+

sont accélérés à 72 MeV/u dans

le LEIR (Anneau d’ions de basse énergie), puis transférés dans
le PS. Celui-ci accélère le faisceau pour le porter à 5,9 GeV/u et
l’envoie dans le SPS, après lui avoir fait traverser une seconde
feuille qui l’« épluche » totalement, produisant des Pb

82+

. Le

SPS porte le faisceau à 177 GeV/u, puis l’injecte dans le LHC, qui
l’accélère à 2,76 TeV/u.

LINAC 2

Gran Sasso

North Area

LINAC 3

Ions

East Area

TI2

TI8

TT41

TT40

CTF3

TT2

TT10

TT60

e–

ALICE

ATLAS

LHCb

CMS

CNGS

neutrinos

neutrons

SPS

ISOLDE

BOOSTER

LEIR

n-ToF

LHC

50 MeV

1.4 GeV

25 GeV

450 GeV

7 TeV

Guide du

LHC

Que

signifie « LHC »?

LHC signifie Grand collisionneur de hadrons (Large Hadron Collider) :
grand en raison de ses dimensions (environ 27 km de circonférence),
collisionneur parce qu’il permet à deux faisceaux de particules se
déplaçant en sens opposé d’entrer en collision en quatre points de
la circonférence de la machine, et de hadrons parce qu’il accélère
des protons ou des ions, c’est-à-dire des hadrons.

Les hadrons (du grec « adros », qui signifie « épais ») sont
des particules composées de quarks. Les protons et les neutrons,
qui constituent les noyaux des atomes, appartiennent à cette
famille. À l’inverse, les leptons sont des particules qui ne sont
pas formées de quarks. Les électrons et les muons, par exemple,
sont des leptons (du grec « leptos », qui signifie « mince »).

faq

Guide du

LHC

Généralités sur

le LHC

Quand

a-t-il été conçu ?

Au début des années 80, au moment de la conception et de la cons-
truction du Grand collisionneur électron-positon (LEP), des équipes
du  CERN  envisageaient  déjà  l’avenir  à  plus  long  terme.  Après  de
longues  années  de  travail  sur  les  aspects  techniques  et  les  con-
traintes physiques d’une telle machine, leur rêve est devenu réalité.
En décembre 1994, l’organe de tutelle du CERN, le Conseil, a ap-
prouvé la construction du LHC. Le feu vert a été donné à condition
que le nouvel accélérateur soit construit à budget constant et que
toute contribution d’un État non-membre soit utilisée pour mener
le projet à bien plus rapidement et optimiser la machine. Au départ,
en raison des contraintes budgétaires, le LHC devait être réalisé en
deux étapes. Cependant, grâce à des contributions du Japon, des
États-Unis,  de  l’Inde  et  d’autres  États  non-membres,  le  Conseil  a
accepté en 1995 que le projet soit mené à bien en une seule étape.
Entre  1996  et  1998,  quatre  expériences  –  ALICE,  ATLAS,  CMS  et
LHCb – ont été officiellement approuvées et les travaux de cons-
truction ont débuté sur quatre sites. Depuis, deux expériences plus
petites sont venues s’ajouter au projet : TOTEM, installée à côté de
CMS, et LHCf, près d’ATLAS (voir « Expériences », page 37).

Pour en savoir plus sur les dates clés du LHC, voir le site Web :
http://www.cern.ch/LHC-Milestones/

Combien

ça coûte ?

La machine coûte quelque 4,6 milliards de CHF (environ 3 milliards
d’euros). Le coût du projet dans son ensemble est réparti approxi-
mativement comme suit :

Coûts de construction

(en milliards de CHF)

Personnel

Matériel

Total

Machine et zones LHC

0,92

3,68

4,60

Détecteurs (part CERN)

0,78

0,31

1,09

Amélioration injecteur
LHC

0,09

0,07

0,16

Informatique du LHC
(part CERN)

0,09

0,18

Total

1,88

4,15

6,03

(including 0.430 de contributions en nature)

Les collaborations pour les expériences sont des structures distinc-
tes dont le financement est indépendant de celui du CERN. Celui-ci
est toutefois membre de toutes les expériences et contribue à leur
budget à hauteur de 20 % pour CMS et LHCb, de 16 % pour ALICE
et de 14 % pour ATLAS. TOTEM est une expérience beaucoup plus
petite, le coût total du matériel se situant aux environs de 6,5
millions de CHF. Pour ce projet, la participation du CERN s’élève à
30 %.

Guide du

LHC

Combien

ça coûte ?

La machine coûte quelque 4,6 milliards de CHF (environ 3 milliards
d’euros). Le coût du projet dans son ensemble est réparti approxi-
mativement comme suit :

Coûts de construction

(en milliards de CHF)

Personnel

Matériel

Total

Machine et zones LHC

0,92

3,68

4,60

Détecteurs (part CERN)

0,78

0,31

1,09

Amélioration injecteur
LHC

0,09

0,07

0,16

Informatique du LHC
(part CERN)

0,09

0,18

Total

1,88

4,15

6,03

(including 0.430 de contributions en nature)

Guide du

LHC

Pourquoi

« grand » ?

L’énergie maximale que peut atteindre un accélérateur est liée à la
taille de ce dernier. Dans le cas d’un collisionneur ou d’un anneau
de stockage, cette énergie dépend du rayon de la machine et de
l’intensité du champ magnétique des dipôles qui maintiennent les
particules sur leur orbite. Le LHC réutilise le tunnel de 27 km de cir-
conférence construit pour le LEP, le grand accélérateur précédent.
Le LHC emploie certains des dipôles et des cavités radiofréquence
les plus puissants du monde. La taille du tunnel, les aimants, les
cavités et d’autres éléments fondamentaux de la machine sont au-
tant de contraintes qui déterminent l’énergie nominale de 7 TeV par
faisceau de protons.

Pourquoi

« collisionneur » ?

Un collisionneur (c’est-à-dire une machine dans laquelle des fais-
ceaux circulant en sens opposés entrent en collision) présente un
avantage considérable par rapport à d’autres types d’accélérateurs,
dans lesquels un faisceau entre en collision avec une cible fixe. En
effet, lorsque deux faisceaux entrent en collision, l’énergie dégagée
correspond à la somme des énergies des deux faisceaux. Un faisceau
porteur de la même énergie heurtant une cible fixe produit une col-
lision d’énergie bien inférieure.

Dans les deux cas, l’énergie disponible (par exemple, pour fabriquer
de nouvelles particules) est l’énergie dans le centre de masse. Dans
le premier cas, il s’agit simplement de la somme des énergies des
deux particules entrant en collision (E = E

faisceau1

+ E

faisceau2

alors que dans le second cas, l’énergie produite est proportion-
nelle à la racine carrée de l’énergie de la particule heurtant la
cible (E

∝ √

faisceau

Pourquoi

« de hadrons » ?

Le LHC va accélérer deux faisceaux de particules du même type,
composés soit de protons, soit d’ions plomb, c’est-à-dire dans les
deux cas de hadrons. Un accélérateur ne peut agir que sur certains
types de particules : en premier lieu, celles-ci doivent porter une
charge (les faisceaux étant dirigés par des dispositifs électroma-
gnétiques qui n’ont d’influence que sur des particules chargées) ;
en second lieu, sauf cas particulier, elles ne doivent pas se dés-
intégrer. Ainsi, le nombre de particules pouvant effectivement être
accélérées se limite aux électrons, aux protons et aux ions, ainsi
qu’à leurs antiparticules.

Dans un accélérateur circulaire tel que le LHC, les particules lourdes,
comme les protons (dont la masse est environ 2000 fois supérieure
à celle de l’électron), subissent à chaque tour moins de pertes
d’énergie par rayonnement synchrotron que les particules légères,
comme les électrons. C’est pourquoi, pour obtenir des collisions
produisant les énergies les plus élevées dans les accélérateurs circu-
laires, il est plus efficace d’accélérer des particules lourdes.

On appelle « rayonnement synchrotron » le rayonnement produit
lorsque des particules chargées sont accélérées dans des trajec-
toires courbes ou orbites. Ce type de rayonnement représente une
perte d’énergie pour les particules, ce qui contraint l’accélérateur
à fournir plus d’énergie pour maintenir constante celle du fais-
ceau.

Guide du

LHC

Pourquoi

« de hadrons » ?

Guide du

LHC

Pourquoi

le LHC est-il construit sous terre ?

Le LHC réutilise le tunnel construit pour le LEP, le grand accéléra-
teur précédent du CERN, démantelé en 2000. Ce tunnel souterrain
est apparu comme la meilleure solution pour abriter une machine
de 27 km de circonférence. En effet, creuser un tunnel coûte moins
cher que d’acquérir du terrain pour bâtir en surface, et l’impact sur
le paysage est ainsi réduit au minimum. De plus, l’écorce terrestre
fournit une protection efficace contre les rayonnements.

Pour des raisons géologiques, le LHC a été construit légèrement
en pente (1,4 %) à une profondeur moyenne de 100 m (d’où une
incidence sur les coûts). Sa profondeur varie entre 175 m (sous le
Jura) et 50 m (côté lac Léman).

Si le tunnel est en pente, c’est pour des raisons financières. En
effet, à l’époque où le tunnel fut construit pour abriter le LEP,
creuser des puits verticaux coûtait très cher. La longueur sous le
Jura a donc été réduite. D’autres contraintes ont joué un rôle
dans le tracé du tunnel :

}

le tunnel devait se trouver au moins 5 m en-dessous du sommet

de la couche de molasse ;

}

il devait passer à proximité du tunnel pilote construit pour

tester des techniques d’excavation ;

}

il devait être relié au SPS, ce qui signifie qu’il ne restait plus

qu’un degré de liberté : l’inclinaison. L’angle résulte de la
réduction de la profondeur des puits.

Quelle

est l’énergie de collision dans le LHC et pourquoi

est-elle exceptionnelle ?

Chaque faisceau de protons circulant dans le LHC a une énergie de
7 TeV. Par conséquent, lorsque deux protons se rencontrent, l’énergie
de  collision  est  de  14  TeV.  Les  ions  plomb  comportent  un  grand
nombre  de  protons  qui  fournissent  ensemble  une  énergie  encore
plus importante. Ainsi, les faisceaux d’ions plomb ont une énergie
de collision de 1150 TeV. Aucune de ces énergies n’a encore été at-
teinte en laboratoire.

Dans les collisions de particules, c’est la concentration d’énergie
qui est exceptionnelle. Lorsque vous frappez dans vos mains, vous
provoquez une « collision » d’une énergie sans doute plus élevée
que celle des protons dans le LHC, mais beaucoup moins concen-
trée. Faites le même mouvement avec une aiguille placée perpen-
diculairement entre vos mains. L’effet sera certainement beaucoup
plus sensible !

Ces énergies ne sont pas impressionnantes si on les compare à
celles auxquelles nous avons affaire au quotidien. En fait, 1 TeV
correspond plus ou moins à l’énergie cinétique d’un moustique
en vol. Ce qui est exceptionnel dans le LHC, c’est qu’il concentre
l’énergie dans un espace environ mille milliards de fois plus petit
qu’un moustique.

Guide du

LHC

Quelle

est l’énergie de collision dans le LHC et pourquoi

est-elle exceptionnelle ?

Guide du

LHC

Quels

sont les objectifs principaux du LHC ?

À l’heure actuelle, notre compréhension de l’Univers reste incom-
plète. Le modèle standard des particules et des forces (voir page 6)
résume nos connaissances en matière de physique des particules. Le
modèle standard a été mis à l’épreuve lors de diverses expériences
et il s’est révélé particulièrement efficace pour prédire l’existence de
particules auparavant inconnues. Cependant, il laisse sans réponse
de nombreuses questions, auxquelles le LHC pourra apporter des
éléments d’explication.

}

Le modèle standard n’explique pas l’origine de la masse, ni pour-

quoi certaines particules sont très lourdes alors que d’autres ne
possèdent aucune masse. La réponse se trouve peut-être dans le
mécanisme de Higgs. Selon cette théorie, l’espace est entière-
ment rempli d’un « champ de Higgs » et les particules acquièrent
leur masse par interaction avec ce champ. Les particules qui
interagissent fortement avec le champ de Higgs sont lourdes,
celles qui interagissent faiblement sont légères. Au moins une
particule est associée au champ de Higgs : le boson de Higgs.
Si une telle particule existe, les expériences du LHC devraient la
détecter.

}

Le modèle standard n’offre pas de description unifiée de

l’ensemble des forces fondamentales, car il est difficile d’élaborer
une théorie de la gravité similaire aux théories des autres forces.
La supersymétrie pourrait faciliter l’unification des forces fon-
damentales. Cette théorie avance l’hypothèse qu’il existe pour
chaque particule connue un partenaire plus massif. Si la théo-
rie est juste, les particules supersymétriques les plus légères
devraient être découvertes dans le LHC.

Guide du

LHC

∝

}

Les différentes observations cosmologiques et astrophysiques

ont montré que l’ensemble de la matière visible ne constitue que
4 % de l’Univers. La chasse aux particules ou aux phénomènes
responsables de la matière noire (23 %) et de l’énergie som-
bre (73 %) est ouverte. Une théorie très en vogue postule que
la matière noire est constituée de particules neutres super-
symétriques, qui sont encore à découvrir.

Le premier indice de l’existence de la

matière noire

est venu

au jour en 1933, lorsque des observations astronomiques et
des calculs d’effets gravitationnels ont révélé qu’il devait y
avoir plus de « choses » dans l’Univers que celles que nous
pouvions voir. Aujourd’hui, les scientifiques estiment que
l’effet gravitationnel de la matière noire fait tourner les gal-
axies plus vite que ne le prévoit le calcul de leur masse ap-
parente, et que son champ gravitationnel dévie la lumière des
objets qui sont derrière. Les mesures de ces effets montrent
l’existence de la matière noire, et peuvent être utilisées pour
estimer sa densité, même si nous ne pouvons pas l’observer
directement.

L’énergie sombre

est une forme d’énergie qui semble as-

sociée  au  vide  de  l’espace,  et  constitue  environ  70  %  de
l’Univers.  Elle  est  distribuée  de  façon  homogène  à  travers
l’espace et le temps. En d’autres termes, son effet n’est pas «
dilué » à mesure que l’Univers s’étend. Cette répartition égale
signifie  que  l’énergie  sombre  n’a  pas  d’effet  gravitationnel
local, mais plutôt un effet global sur l’Univers entier. Il en
résulte une force répulsive qui tend à accélérer l’expansion
de  l’Univers.  Le  taux  d’expansion  et  son  accélération  peu-
vent être mesurés par des expériences qui utilisent la loi de
Hubble.  Ces  mesures,  complétées  d’autres  données  scienti-
fiques, confirment l’existence de l’énergie sombre et ont été
utilisées pour estimer sa quantité.

Guide du

LHC

}

Le LHC contribuera également à élucider le mytère de l’antimatière.

Lors du Big Bang, matière et antimatière ont vraisemblablement
été produites en quantités égales, mais d’après ce que nous
avons pu observer jusqu’à présent, notre Univers n’est constitué
que de matière. Pourquoi ? Le LHC pourrait apporter la réponse
à cette question.

On croyait auparavant que l’antimatière était le « reflet » parfait de
la matière, c’est-à-dire qu’en remplaçant la matière par l’antimatière
et en observant le résultat comme à travers un miroir, il serait im-
possible de faire la différence. Nous savons maintenant que le reflet
est imparfait, ce qui a pu entraîner le déséquilibre entre matière et
antimatière dans notre Univers.
Les  principaux  indices  permettant  d’expliquer  la  quantité  limitée
d’antimatière  dans  notre  Univers  proviennent  de  l’analyse  des
rayons gamma cosmiques diffus et des défauts d’homogénéité du
fond  cosmologique  diffus.  Si  l’Univers,  après  le  Big  Bang,  s’était
divisé  en  domaines  où  domine  soit  la  matière,  soit  l’antimatière,
des annihilations devraient se produire aux frontières entre ces do-
maines, créant des rayons gamma cosmiques. Dans cette hypothèse,
en combinant la section efficace des annihilations, la distance et
les  décalages  spectraux  cosmologiques,  on  parvient  à  prédire  la
quantité  de  rayonnement  gamma  diffus  qui  devrait  atteindre  la
Terre. Le paramètre libre est la taille des domaines de matière et
d’antimatière. La comparaison avec le flux de rayons gamma observé
conduit à exclure l’éventualité d’un domaine de taille inférieure à
3,7 milliards d’années-lumière, ce qui correspond presque à l’Univers
tout  entier  !  Un  autre  facteur  limitant  provient  de  l’analyse  des
défauts d’homogénéité dans le fond cosmologique diffus : des do-
maines d’antimatière, quelle que soit leur taille, provoqueraient un
réchauffement aux frontières, ce qui se traduirait par des fluctua-
tions  de  densité  dans  le  fond  cosmologique  diffus.  La  valeur  ob-
servée  d’environ  10

-5

introduit de sérieuses limites à la quantité

d’antimatière présente dans l’Univers primordial.

Guide du

LHC

}

En plus des collisions proton-proton, les collisions d’ions lourds

dans le LHC permettront d’étudier l’état de la matière qui aurait
existé dans les premiers instants de l’Univers, que l’on appelle
« plasma quark-gluon ». Lorsque des ions lourds entrent en col-
lision à des énergies élevées, ils forment pendant un instant une
« boule de feu » constituée de matière chaude et dense qui peut
être étudiée par les expériences.

Selon  les  théories  actuelles,  l’Univers,  créé  par  le  Big  Bang,  a
connu une phase durant laquelle la matière existante formait une
sorte de soupe extrêmement chaude et dense, le plasma quark-
gluon,  composée  des  constituants  élémentaires  de  la  matière.
Lorsque l’Univers s’est refroidi, les quarks ont été emprisonnés
sous forme de particules composites telles que les protons et les
neutrons. Ce phénomène est connu sous le nom de confinement
des quarks. Le LHC est capable de recréer le plasma quark-gluon
en  accélérant  et  en  faisant  entrer  en  collision  deux  faisceaux
d’ions lourds.  Lors de ces collisions, la température est plus de
100 000 fois supérieure à celle du centre du Soleil. Dans ces con-
ditions, les quarks sont à nouveau libérés et les détecteurs peu-
vent alors observer et étudier la « soupe primordiale », explorant
ainsi les propriétés fondamentales des particules et la manière
dont elles s’agglomèrent pour former la matière ordinaire.

Guide du

LHC

tan

t 8

cta

Octa

nt 6

Octant 5

t 4

t 3

cta

nt 2

Octant 1

Beam dump

Arrêt des faisceaux

Injec

tion

Injec

tion

Beam cleaning

Nettoyage des faisceaux

CMS

LHCb

ATLAS

ALICE

Beam cleaning

Nettoyage des faisceaux

Qu’

appelle-t-on secteurs et octants dans la machine ?

Le LHC n’est pas un cercle parfait.  Il est constitué de huit arcs et
de huit « insertions ». Les arcs contiennent les aimants de courbure
dipolaires,  à  raison  de  154  aimants  par  arc.  Une  insertion  com-
prend une section droite longue et deux régions de transition (une
à chaque extrémité), les « suppresseurs de dispersion ». La disposi-
tion exacte de la section droite dépend de l’utilisation particulière
de  l’insertion  :  expérience  de  physique  (collisions  de  faisceaux),
injection, absorption des faisceaux, nettoyage des faisceaux.

Par secteur, on entend la partie de la machine située entre deux
points d’insertion. Les huit secteurs forment les unités opération-
nelles du LHC : les aimants sont installés secteur par secteur, le
matériel est mis en service secteur par secteur et tous les dipôles
d’un secteur sont raccordés en série et sont situés dans le même
cryostat continu. L’alimentation de chaque secteur est en principe
indépendante.

L’octant part du milieu d’un arc et se termine au milieu de l’arc sui-
vant  ;  il  englobe  donc  une  insertion  complète.  Par  conséquent,
la  description  par  octant  est  plus  parlante  si  l’on  s’intéresse  à
l’utilisation des aimants qui dirigent les faisceaux vers les points
de  collision  ou  dans  les  sections  d’injection,  d’absorption  et  de
nettoyage.

La machine

Qu’

appelle-t-on secteurs et octants dans la machine ?

faq

Guide du

LHC

Quels

sont les paramètres importants pour un

accélérateur?

Les accélérateurs sont construits dans le but d’étudier des
phénomènes, souvent rares, dont la probabilité varie avec l’énergie
de collision. C’est pourquoi les paramètres les plus importants pour
les physiciens sont l’énergie du faisceau et le nombre de collisions
intéressantes. Dans un collisionneur tel que le LHC, la probabilité
d’un phénomène varie avec ce qu’on appelle la luminosité, grandeur
qui dépend du nombre de paquets dans le faisceau, du nombre de
particules par paquet, de la fréquence des révolutions autour de
l’anneau, et de la section efficace du faisceau. En résumé, il faut
concentrer le maximum de particules dans l’espace le plus réduit
possible autour de la région d’interaction.

Quels

sont les éléments principaux d’un accélérateur?

Dans un accélérateur, les particules circulent dans un tube à vide et
sont dirigées par des dispositifs électromagnétiques : les aimants
dipolaires maintiennent les particules dans leur orbite quasi-circu-
laire, alors que les aimants quadripolaires concentrent le faisceau.
Les cavités accélératrices, elles, sont des résonateurs électromag-
nétiques qui accélèrent les particules et les maintiennent ensuite à
énergie constante en compensant lénergie perdue à chaque tour.

Guide du

LHC

Le vide:

Le LHC a la particularité d’avoir, non pas un, mais trois sys-

tèmes de vide.
- vide isolant pour les cryoaimants
- vide isolant pour la ligne de distribution d’hélium
- vide pour les faisceaux
La pression dans l’enceinte à vide des faisceaux est de 10

-13

atm (ul-

travide), afin d’éviter des collisions avec les molécules de gaz. Le plus
grand volume de vide dans le LHC est le vide isolant pour les cryoaim-
ants (~ 9000 m

, soit le volume de la nef d’une cathédrale!)

Les aimants:

le LHC contient une grande variété d’aimants, dont

des dipôles, des quadripôles, des sextupôles, des octupôles et des dé-
capôles,  soit  au  total  environ  9600  aimants.  Chaque  type  d’aimant
contribue à l’optimisation de la trajectoire des particules. La plupart
des  aimants  de  correction  sont  intégrés  dans  la  masse  froide  des
dipôles et des quadripôles principaux. Les aimants du LHC sont soit
à double ouverture (par exemple, les dipôles principaux), soit à sim-
ple ouverture (par exemple, certains des quadripôles d’insertion). Les
quadripôles d’insertion sont des aimants spéciaux utilisés pour con-
centrer le faisceau sur la surface la plus petite possible aux points de
collision,  ce  qui  multiplie  les  probabilités  que  deux  protons  se  per-
cutent de plein fouet. Les plus grands aimants sont les dipôles ; le LHC
en compte 1232.

Les cavités:

la fonction principale des cavités du LHC est de main-

tenir bien groupés les 2808 paquets de protons, afin d’assurer une
forte luminosité aux points de collision et d’augmenter ainsi au maxi-
mum le nombre de collisions. Leur champ électrique fournit également
au faisceau de l’énergie radiofréquence (RF) durant l’accélération à
l’énergie maximale. Les cavités du LHC sont supraconductrices: elles
contiennent de grandes quantités d’énergie tout en limitant les pertes.
Le LHC utilise huit cavités par faisceau, fournissant chacune une ten-
sion de 2 MV (un champ accélérateur de 5 MV/m) à 400 MHz. Elles
fonctionnent à 4,5 K, ou -268,7°C (les aimants du LHC sont refroidis
par de l’hélium superfluide à 1,9 K, ou -271,3°C). Pour les besoins du
LHC, les cavités sont groupées par quatre dans des cryomodules, avec
deux cryomodules par faisceau, et installées dans une section droite
longue de la machine, où la distance transversale entre les faisceaux
est portée de 195 mm (distance normale) à 420 mm.

Guide du

LHC

Le tableau ci-dessous présente les chiffres à retenir concernant le
LHC.

Caractéristique

Valeur

Circonférence
Température d’exploitation des dipôles
Nombre d’aimants
Nombre de dipôles principaux
Nombre de quadripôles principaux
Nombre de cavités radiofréquence
Énergie nominale, mode protons
Énergie nominale, mode ions
Champ magnétique dipolaire maximal
Distance min. entre les paquets
Luminosité nominale
Nombre de paquets par faisceau de
protons
Protons par paquet (au départ)
Nombre de tours par seconde
Nombre de collisions par seconde

26 659 m

1,9 K (-271.3ºC)

9593
1232

392

8 par faisceau

7 TeV

2,76 TeV/u (*)

8.33 T

~7 m

–2

–1

2808

1,1 x 10

11 245

600 millions

(*) Énergie par nucléon

L’énergie

du faisceau du LHC sera-t-elle influencée par la

Lune, comme c’était le cas pour l’accélérateur LEP ?

La Lune a à peu près la même influence sur l’énergie du faisceau au
LHC que dans le LEP. L’énergie de collision absolue n’est pas aussi
critique pour les expériences du LHC qu’elle l’était pour le LEP, mais
il faut tenir compte des variations dues aux marées terrestres lors
de l’injection des faisceaux dans le collisionneur.

Le phénomène des marées, dû à l’influence de la Lune (et, dans
une moindre mesure, du Soleil) sur les océans, est bien connu. Il
provoque une hausse puis une baisse du niveau de l’eau en bord
de mer par cycles d’environ 12 heures. Le sol subit également
l’effet de l’attraction lunaire car les roches qui le composent sont
élastiques. Ainsi, lors de la nouvelle lune ou de la pleine lune,
l’écorce terrestre se soulève de quelque 25 cm dans la région
genevoise sous l’effet de ces « marées terrestres ». Ce mouve-
ment entraîne une variation de 1 mm de la circonférence du LHC
(pour une circonférence totale de 26,6 km), provoquant ainsi
des changements dans l’énergie du faisceau. C’est pourquoi les
physiciens doivent tenir compte dans leurs mesures de l’influence
de la Lune.

Quelles

sont les particularités des aimants dipôles?

Les aimants dipôles ont représenté le défi technologique le plus
important dans la conception du LHC. Dans un accélérateur de pro-
tons comme le LHC, pour une circonférence d’accélération donnée,
l’énergie maximale pouvant être atteinte est directement propor-
tionnelle à l’intensité du champ des aimants dipôles. Les aimants
dipôles du LHC sont supraconducteurs et peuvent fournir un champ
magnétique très élevé – 8,3 tesla – sur toute leur longueur. Il
n’aurait pas été possible d’utiliser des aimants résistifs à tempéra-
ture ambiante.

Les dipôles du LHC utilisent des câbles en niobium-titane (NbTi),
qui deviennent supraconducteurs à une température inférieure à
10 K (-263,2°C), ce qui signifie qu’ils n’offrent plus aucune résis-
tance au passage du courant électrique. En fait, le LHC fonctionne à
une température encore plus basse, 1,9 K (-271,3°C), température
inférieure à celle de l’espace intersidéral (2,7 K, -270,5°C). Un cour-
ant de 11 700 ampères circulant dans les dipôles génère un champ
magnétique élevé, 8,3 T, nécessaire pour incurver les faisceaux de
7 TeV dans l’anneau de 27 km du LHC. Si les aimants étaient utilisés
à une température de 4,5 K (-268,7ºC), ils ne produiraient qu’un

Guide du

LHC

Quelles

sont les particularités des aimants dipôles?

Guide du

LHC

champ magnétique de 6,8 T. À titre de comparaison, pour une mai-
son familiale moyenne, le courant total maximal est d’environ 100
A. On atteint la température de 1,9 K (-271,3°C) en injectant de
l’hélium superfluide dans les systèmes magnétiques. Chaque dipôle
mesure 15 m de long et pèse environ 35 t.

Les bobines magnétiques du LHC sont formées d’un câble en-
roulé qui comprend jusqu’à 36 brins torsadés de 15 mm de
diamètre, eux-mêmes composés d’un maximum de 6400 filaments
individuels de 7 micromètres d’épaisseur seulement (à titre de
comparaison, un cheveu humain mesure environ 50 micromètres
de diamètre). Avec ses 27 km de circonférence, le LHC nécessite
7600 km de câble, ce qui correspond à 270 000 km de brin – une
longueur suffisante pour encercler six fois la Terre à l’Équateur.
Si on déroulait tous les filaments constituant les bobines, leur
longueur correspondrait à cinq allers retours entre la Terre et le
Soleil, plus quelques trajets jusqu’à la Lune (voir à la page 55).

Quelles

sont les spécificités du système cryogénique ?

Le  LHC  est  le  plus  grand  système  cryogénique  du  monde  et  l’un
des  endroits  les  plus  froids  de  la  Terre.  En  effet,  une  tempéra-
ture extrêmement basse est requise pour exploiter les aimants qui
maintiennent les protons sur leur trajectoire (voir le paragraphe :
« Quelles sont les particularités des aimants dipôles ? ») Afin de
maintenir  son  anneau  de  27  km  (4700  tonnes  de  matériel  dans
chacun  des  huit  secteurs)  à  la  température  de  l’hélium  superflu-
ide  (1,9  K,  soit  -271,3°C),  le  système  cryogénique  du  LHC  doit
fournir une capacité totale de réfrigération sans précédent : environ
150 kW pour les réfrigérateurs à 4,5 K et 20 kW pour ceux à 1,9
K. Le système de réfrigération est conçu sur la base de cinq «îlots
cryogéniques». Chaque «îlot» doit véhiculer le fluide de refroidisse-
ment et transporter des kilowatts de puissance réfrigérante sur une
longue distance. L’ensemble du processus de refroidissement dure
quelques semaines.

Le processus de réfrigeration se déroule en trois phases :

1) refroidissement à 4,5 K (-268,7°C)

2) remplissage des masses froides des aimants avec de l’hélium

liquide

3) refroidissement final à 1,9 K (-271,3°C).

La première phase se déroule en deux étapes : tout d’abord, l’hélium
est refroidi à 80 K dans les échangeurs de chaleur des réfrigérateurs,
une opération nécessitant environ 10 000 tonnes d’azote liquide.
Ensuite, les turbines des réfrigérateurs abaissent la température de
l’hélium à 4,5 K (-268,7°C), le préparant ainsi à l’injection dans
les masses froides des aimants. Une fois les aimants remplis, les
unités de réfrigération à 1,8 K abaissent la température à 1,9 K
(-271,3°C). Au total, ce sont à peu près 120 t d’hélium qui sont
nécessaires, dont environ 90 employées dans les aimants et le reste
dans les tuyaux et les unités de réfrigération.

Pour éviter tout risque d’asphyxie dans le tunnel souterrain, l’azote
liquide n’est jamais injecté directement dans le LHC.

Pourquoi

de l’hélium superfluide ?

Le choix de la température de fonctionnement du LHC est autant
lié aux « superpropriétés » de l’hélium qu’à celles de l’alliage supra-
conducteur de niobium-titane dans les bobines des aimants. À la
pression atmosphérique, l’hélium gazeux se liquéfie à environ 4,2 K
(-269,0°C), mais si on le refroidit davantage, il subit un deuxième
changement de phase autour de 2,17 K (-271,0°C) et passe à l’état
superfluide. L’hélium superfluide possède de nombreuses propriétés
remarquables, notamment une conductivité thermique très élevée
qui en fait un réfrigérant de choix pour refroidir et stabiliser de
grands systèmes supraconducteurs (voir également le paragraphe :
« Quelles sont les spécificités du système cryogénique ? »).

Guide du

LHC

Le processus de réfrigeration se déroule en trois phases :

1) refroidissement à 4,5 K (-268,7°C)

2) remplissage des masses froides des aimants avec de l’hélium

liquide

3) refroidissement final à 1,9 K (-271,3°C).

Pour éviter tout risque d’asphyxie dans le tunnel souterrain, l’azote
liquide n’est jamais injecté directement dans le LHC.

Pourquoi

de l’hélium superfluide ?

Guide du

LHC

En  tout,  le  système  cryogénique  nécessite  40  000  joints  de
tuyauterie étanches. Le LHC consomme 120 tonnes d’hélium pour
maintenir  ses  aimants  à  leur  température  de  fonctionnement
(1,9 K) : 60% pour les masses froides des aimants et les 40%
restants pour le système de distribution et les réfrigérateurs. En
période  d’exploitation  courante,  la  majeure  partie  de  l’hélium
circule  dans  des  boucles  de  réfrigération  fermées.  Néanmoins,
chaque  année,  un  certain  pourcentage  du  stock  pourrait  être
perdu  en  raison  d’arrêts  des  infrastructures,  de  fuites  dans
l’atmosphère,  du  conditionnement  des  installations  ou  de  pro-
blèmes techniques.

Pourquoi

parle-t-on de paquets ?

Les protons injectés dans le LHC circulent sous forme de paquets
à la structure bien définie. La structure des paquets d’un accéléra-
teur moderne est directement liée au schéma d’accélération radio-
fréquence (RF). Les protons ne peuvent être accélérés que si le
champ RF est orienté correctement lorsque les particules traversent
une cavité accélératrice, ce qui n’arrive qu’à des moments bien dé-
finis pendant un cycle RF.

Dans le LHC, en conditions de fonctionnement nominales, chaque
faisceau de protons contient 2808 paquets, chacun étant composé
d’environ 10

protons.

La  taille  d’un  paquet  n’est  pas  constante  le  long  de  l’anneau.
En  effet,  chaque  paquet  qui  circule  dans  le  LHC  est  tour  à  tour
comprimé et dilaté. Il est comprimé autant que possible aux points
d’interaction afin d’augmenter les chances de collision. Les paquets
de particules mesurent quelques centimètres de long et un millimè-
tre de large lorsqu’ils sont loin d’un point de collision. Toutefois,
lorsqu’ils s’en approchent, ils sont comprimés jusqu’à ne mesurer
qu’environ  16  µm  (un  cheveu  humain  a  une  épaisseur  d’environ
50 µm) pour augmenter la probabilité de collisions proton-proton.

Augmenter le nombre de paquets est l’un des moyens d’augmenter
la luminosité dans un accélérateur. Dans le LHC, on a opté pour un
espacement entre paquets de 25 ns (soit environ 7 m), ce qui im-
plique de nombreuses contraintes techniques. (Le prédécesseur du
LHC, le LEP, ne faisait circuler que quatre paquets.)

L’espacement  de  25  ns  entre  les  paquets  correspond  à  une
fréquence de 40 MHz, ce qui signifie que les paquets devraient
traverser chacun des points de collision 40 millions de fois par
seconde. Cependant, pour des raisons pratiques, il y a plusieurs
intervalles  plus  grands  dans  la  disposition  des  paquets,  entre
autres  pour  laisser  le  temps  aux  aimants  de  déflexion  rapide
d’entrer en action pour injecter ou absorber le faisceau. Le taux
de croisement moyen est égal au nombre total de paquets mul-
tiplié par le nombre de tours par seconde dans le LHC: 2808

11245 = 31.6 MHz.

Combien

y a-t-il de collisions par seconde dans le LHC ?

Chaque faisceau de protons est composé de près de 3000 paquets
de particules, chacun d’eux contenant 100 milliards de particules.
Les particules sont si petites que la probabilité d’une collision est
infime. Au moment où les paquets se croisent, il ne se produit
qu’une vingtaine de collisions parmi les 200 milliards de particules.
Cela dit, les paquets se croisent à la cadence d’environ 30 millions
de fois par seconde (voir le paragraphe précédent) ; ainsi, le LHC
génère jusqu’à 600 millions de collisions par seconde.

Quelle

est la durée de vie du faisceau dans l’accélérateur?

Un faisceau peut circuler pendant 10 heures, parcourant plus de 10
milliards de kilomètres, soit deux fois la distance Terre-Neptune.
À une vitesse proche de celle de la lumière, un proton accomplit
11 245 tours par seconde dans le LHC.

Guide du

LHC

11245 = 31.6 MHz.

Combien

y a-t-il de collisions par seconde dans le LHC ?

Quelle

est la durée de vie du faisceau dans l’accélérateur?

Guide du

LHC

Comment

« voir » les particules?

Pour chaque collision, l’objectif du physicien est de compter, de
suivre et de caractériser toutes les différentes particules produites,
de manière à reconstituer l’ensemble du processus. La trace laissée
par la particule fournit de nombreuses informations utiles, surtout
si le détecteur est placé dans un champ magnétique : la charge de
la particule, par exemple, est clairement détectable, puisque les
particules à charge électrique positive sont déviées dans un certain
sens et celles à charge négative dans le sens opposé. De même, il
est possible de déterminer l’impulsion de la particule (la « quantité
de mouvement » égale au produit de la masse par la vitesse) : les
particules à impulsion élevée se propagent en ligne presque droite,
tandis que les particules à faible impulsion décrivent des spirales
serrées.

Photons

Électrons ou positons

Muons

Pions ou protons

Neutrons

Trajectographe

électromagnétique

Calorimètre

électromagnétique

Calorimètre

hadronique

Détecteur

de muons

faq

Guide du

LHC

Les détecteurs

Quels

sont les détecteurs du LHC ?

Il y a six expériences installées dans le LHC : ALICE (A Large Ion
Collider Experiment), ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), CMS
(Compact Muon Solenoid), LHCb (Large Hadron Collider beauty ex-
periment), LHCf (Large Hadron Collider forward experiment) et TOTEM
(TOTal Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation
at the LHC). Les expériences ALICE, ATLAS, CMS et LHCb sont in-
stallées à l’intérieur de quatre énormes cavernes souterraines cons-
truites autour des quatre points de collision des faisceaux du LHC.
L’expérience TOTEM est placée près du point d’interaction de CMS,
tandis que LHCf se trouve près d’ATLAS.

ALICE,

c’est quoi ?

ALICE est un détecteur spécialisé dans l’analyse des collisions d’ions
plomb. Il étudie les propriétés du plasma de quarks et de gluons,
un état de la matière dans lequel les quarks et les gluons, dans des
conditions de température et de densité très élevées, ne sont plus
confinés dans les hadrons. Un tel état de la matière a probablement
existé immédiatement après le Big Bang, juste avant la formation
de particules telles que les protons et les neutrons. La collaboration
internationale ALICE comprend plus de 1500 membres provenant de
104 instituts dans 31 pays (données de juillet 2007).

Taille

Poids
Conception

Coût du matériel
Situation

26 m de long, 16 m de large, 16 m de
haut
10 000 tonnes
tonneau central et un spectromètre à
muons à un seul bras
115 MCHF
St Genis-Pouilly (France)

Pour en savoir plus, voir le site Web: http://aliceinfo.cern.ch/
Public/

ATLAS,

c’est quoi?

ATLAS est un détecteur polyvalent conçu pour couvrir les aspects
les plus divers de la physique au LHC, de la recherche du boson de
Higgs à celle de la supersymétrie (SUSY) en passant par la quête de
dimensions supplémentaires. Le détecteur ATLAS est principalement
caractérisé par son énorme système magnétique toroïdal. Celui-ci
est composé de huit bobines magnétiques supraconductrices de 25
mètres de long disposées en cylindre autour du tube de faisceau.
ATLAS est le plus grand détecteur jamais construit pour un colli-
sionneur. Sa collaboration compte plus de 1900 membres provenant
de 164 instituts dans 35 pays (données d’avril 2007).

Taille
Poids
Conception
Coût du matériel
Situation

46 m de long, 25 m de large, 25 m de haut
7000 tonnes
tonneau fermé par deux bouchons
540 MCHF
Meyrin (Suisse)

Pour en savoir plus, voir le site Web: http://atlas.ch/

Guide du

LHC

CMS,

c’est quoi?

CMS  est  un  détecteur  polyvalent  qui  poursuit  les  mêmes  objec-
tifs de physique qu’ATLAS, mais avec une conception et des solu-
tions  techniques  différentes.  Il  est  construit  autour  d’un  énorme
solénoïde  supraconducteur.  Ce  dernier  se  présente  sous  la  forme
d’une bobine cylindrique de câble supraconducteur produisant un
champ  magnétique  de  4  tesla,  une  valeur  environ  100  000  fois
supérieure au champ magnétique terrestre. Plus de 2000 personnes
provenant de 181 instituts dans 38 pays collaborent à CMS (don-
nées de mai 2007).

Taille
Poids
Conception
Coût du matériel
Situation

21 m de long,15 m de large, 15 m de haut
12 500 tonnes
tonneau fermé par deux bouchons
500 MCHF
Cessy (France)

Pour en savoir plus, voir le site Web: http://cmsinfo.cern.ch/
outreach/

LHCb,

c’est quoi?

LHCb est consacré à l’étude de la légère asymétrie entre matière et
antimatière, par l’observation des mésons B (particules contenant
le quark b). La compréhension de ce phénomène pourrait permettre
aux physiciens de répondre à une question fondamentale : pourquoi
notre Univers est-il constitué de matière et non d’antimatière ? Au
lieu d’entourer entièrement le point de collision d’un détecteur fer-
mé, l’expérience LHCb utilise une série de sous-détecteurs alignés
qui détectent principalement les particules s’échappant vers l’avant.
Le premier sous-détecteur est installé près du point de collision, les
suivants sont alignés l’un à côté de l’autre sur une longueur de
20 m.

La collaboration LHCb comprend plus de 650 membres provenant de
47 instituts dans 14 pays (données de mai 2007).

Taille
Poids
Conception

Coût du matériel
Situation

21 m de long,13 m de large, 10 m de haut
5600 tonnes
un spectromètre à petit angle avec
détecteurs plans
75 MCHF
Ferney-Voltaire (France)

Pour en savoir plus, voir le site Web: http://lhcb.web.cern.ch/
lhcb/

LHCf,

c’est quoi?

LHCf est une expérience plus petite destinée à mesurer les parti-
cules émises selon un angle très petit par rapport à la direction du
faisceau lors des collisions proton-proton dans le LHC. L’objectif
est de mettre à l’épreuve les modèles utilisés pour estimer l’énergie
primaire des rayons cosmiques de très haute énergie. Ses détecteurs
sont placés à 140 m du point de collision d’ATLAS. La collaboration
LHCf comprend 21 membres provenant de 10 instituts dans 6 pays
(données de mai 2007).

Taille

Poids
Situation

deux détecteurs mesurant chacun 30 cm
de long, 10 cm de large, 10 cm de haut
40 kg chacun
Meyrin (Suisse), près d’ATLAS

Guide du

LHC

La collaboration LHCb comprend plus de 650 membres provenant de
47 instituts dans 14 pays (données de mai 2007).

Taille
Poids
Conception

Coût du matériel
Situation

21 m de long,13 m de large, 10 m de haut
5600 tonnes
un spectromètre à petit angle avec
détecteurs plans
75 MCHF
Ferney-Voltaire (France)

Pour en savoir plus, voir le site Web: http://lhcb.web.cern.ch/
lhcb/

LHCf,

c’est quoi?

Taille

Poids
Situation

deux détecteurs mesurant chacun 30 cm
de long, 10 cm de large, 10 cm de haut
40 kg chacun
Meyrin (Suisse), près d’ATLAS

Guide du

LHC

TOTEM,

c’est quoi?

TOTEM mesure la taille réelle, ou « section efficace », des protons
dans le LHC. Pour ce faire, TOTEM va détecter les particules pro-
duites au plus près des faisceaux du LHC. L’expérience est dotée de
détecteurs abrités dans des chambres à vide spécialement conçues;
ces détecteurs, appelés « pots romains », sont reliés aux tubes de
faisceaux du LHC. Huit pots romains sont placés par paires en qua-
tre emplacements proches du point de collision de l’expérience CMS.
La collaboration TOTEM comprend plus de 70 membres provenant de
10 instituts dans 7 pays (données de mai 2007).

Taille
Poids
Conception

Coût du matériel
Situation

440 m de long, 5 m de large, 5 m de haut
20 tonnes
pots romains, détecteurs GEM
(multiplicateurs d’électrons à gaz) et
chambres à rubans cathodiques
6,5 MCHF
Cessy (France), près de CMS

Pour en savoir plus, voir le site Web: http://totem.web.cern.ch/
Totem/

Qu’est-ce

qui détermine la forme générale des détecteurs de

particules du LHC ?

Un détecteur polyvalent moderne pour la physique des hautes éner-
gies, tel qu’ATLAS et CMS, doit être hermétique, afin que la proba-
bi-lité qu’une particule (détectable) s’échappe sans être détectée
soit faible. Par commodité technique, la plupart des détecteurs mo-
dernes installés sur des collisionneurs de particules tels que le LHC
sont conçus selon le modèle tonneau fermé par deux bouchons.
Dans cette configuration, un détecteur cylindrique entoure la zone

centrale du collisionneur et deux bouchons circulaires et plats cou-
vrent les régions d’extrémité, à savoir les zones proches du fais-
ceau. Par contre, ALICE et LHCb ont une forme asymétrique, car ces
expériences visent des domaines plus spécifiques de la physique.

Quelles

sont les parties principales d’un détecteur ?

Le but des grands détecteurs du LHC est d’identifier les particules
secondaires produites lors des collisions et de mesurer leur position
dans l’espace, leur charge, leur vitesse, leur masse et leur éner-
gie. Pour ce faire, les détecteurs comportent de nombreuses « cou-
ches », ou sous-détecteurs, dont chacun a un rôle précis dans la re-
constitution des collisions. Un système magnétique vient compléter
le dispositif. Il sépare les différentes particules suivant leur charge
et permet de mesurer leur impulsion, une grandeur physique liée à
la masse et à la vitesse de la particule.

Il existe deux catégories importantes de sous-détecteurs :

Les trajectographes

révèlent les trajectoires des particules élec-

triquement chargées grâce aux traces que laissent ces dernières
en ionisant la matière. À l’intérieur d’un champ magnétique, ils
permettent de mesurer la courbure de la trajectoire d’une parti-
cule, et donc son impulsion, ce qui contribue à l’identification
de la particule. Dans la plupart des trajectographes modernes,
les traces des particules ne sont pas directement visibles. Elles
se traduisent par des signaux électriques qui peuvent être en-
registrés sur ordinateur. Un programme informatique reconsti-
tue ensuite les trajectoires à partir des données recueillies. Les
détecteurs de vertex et les chambres à muons sont deux types
de trajectographes spécialisés. Les détecteurs de vertex sont
installés près du point d’interaction (vertex primaire), tandis que
les chambres à muons sont situées sur les couches extérieures
du détecteur, car les muons sont les seules particules chargées
capables de traverser plusieurs mètres de matériau dense.

Guide du

LHC

Quelles

sont les parties principales d’un détecteur ?

Il existe deux catégories importantes de sous-détecteurs :

Les trajectographes

révèlent les trajectoires des particules élec-

Guide du

LHC

Les trajectographes utilisent principalement deux techniques :

}

les chambres d’ionisation en milieu gazeux, où les ions ou

les  électrons  produits  sont  ensuite  attirés  sur  des  électrodes
(généralement en forme de fils ou de damiers) grâces à de forts
champs électriques. Dans les chambres à dérive, la trajectoire
est déterminée par le calcul du temps de parcours des électrons
jusqu’au fil d’anode. On obtient ainsi une meilleure résolution
spatiale  malgré  une  plus  grande  distance  entre  les  fils:  en
effet, les cellules de dérive ont généralement une largeur de
plusieurs  centimètres,  et  permettent  une  résolution  spatiale
de 50-100

m. Dans une chambre à projection temporelle, le

volume est beaucoup plus important – la dérive peut dépasser
les 2 m – et les fils de lecture sont disposés à l’une des
extrémités ;

}

les détecteurs à semi-conducteurs, dans lesquels la particule

qui passe crée des électrons et des trous dans un semi-
conducteur polarisé en inverse, généralement du silicium. Les
détecteurs sont divisés en bandes ou en pixels. La résolution
typique est 10

Les calorimètres

sont des dispositifs qui stoppent les particules

qui les traversent et mesurent l’énergie qu’elles y ont déposée.
Il existe deux principaux types de calorimètres : les calorimè-
tres électromagnétiques (ECAL) et les calorimètres hadroniques
(HCAL).  Ils  sont  constitués  de  différents  matériaux,  selon  le
type  de  particules  qu’ils  stoppent.  Les  détecteurs  ECAL  sont
conçus pour absorber complètement les électrons et les photons
par l’intermédiaire de la force électromagnétique. Les particules
soumises à l’interaction forte (les hadrons, tels que protons et
pions) peuvent commencer à perdre de leur énergie dans l’ECAL,
mais sont complètement stoppées dans le HCAL. Les muons (et
les  neutrinos)  traversent  les  deux  types  de  calorimètres  sans
interagir. Les particules neutres, comme les photons et les neu-
trons, sont principalement détectées par les calorimètres ; bien
qu’elles soient invisibles pour les trajectographes, ces particules
sont révélées par l’énergie qu’elles déposent dans les calorimè-
tres.

Guide du

LHC

En général, les calorimètres sont constitués de couches d’un
matériau de haute densité “passif” ou “absorbant” (du plomb
par exemple), intercalées avec des couches d’un milieu “actif” tel
que du verre au plomb solide ou de l’argon liquide.

Les détecteurs comportent souvent des sous-détecteurs qui

mesurent la vitesse des particules chargées – un facteur essen-
tiel pour pouvoir identifier les particules.

Il existe deux grandes techniques pour mesurer la vitesse des
particules :

}

le rayonnement Tchérenkov : lorsqu’une particule chargée

traverse un milieu, elle émet, à partir d’une certaine vitesse,
des photons selon un angle particulier qui dépend de cette
vitesse. Si l’on mesure l’impulsion de la particule, on peut, à
partir de sa vitesse, déterminer sa masse, et donc sa nature.
Pour que l’émission Tchérenkov se produise, il faut que la
particule traverse le milieu à une vitesse supérieure à celle de
la lumière dans le milieu en question.

}

le rayonnement de transition : lorsqu’une particule relativiste

chargée  traverse  un  milieu  non  homogène,  en  particulier  la
limite  entre  des  matériaux  qui  possèdent  des  propriétés
électriques  différentes,  elle  émet  un  rayonnement  plus  ou
moins proportionnel à son énergie. Cette technique permet de
distinguer les différents types de particules.

Guide du

LHC

Des milliers de scientifiques à travers le monde accéderont à cette
gigantesque quantité de données, qu’ils analyseront. La Grille de
calcul pour le LHC a pour mission de mettre en place et d’entretenir
une infrastructure de stockage et d’analyse de données pour tous
les chercheurs en physique des hautes énergies appelés à utiliser
le LHC.

}

ATLAS produira 320 Mo/s

}

CMS produira 220 Mo/s

}

LHCb produira 50 Mo/s

}

ALICE produira 100 Mo/s

Quelle

sera la quantité de bosons de Higgs produite au

LHC ?

Malgré un nombre très élevé de collisions de particules au LHC, la
quantité de bosons de Higgs produite sera tellement minime que
les physiciens estiment qu’il faudra au moins deux à trois années de
prise de données pour avoir suffisamment de statistiques. La produc-
tion de bosons de Higgs à attendre est étroitement liée au modèle
théorique et aux méthodes de calculs utilisés. Dans de bonnes con-
ditions, chaque expérience devrait produire 1 boson de Higgs à
intervalle de quelques heures. Il en va de même pour les particules
supersymétriques. Les physiciens estiment qu’il faudra environ un
an de prise de données à pleine luminosité avant d’obtenir les pre-
miers résultats probants.

Quel

devrait être le flux de données provenant des

expériences LHC ?

Les expériences LHC comptent environ 150 millions de capteurs qui enreg-
istrent 40 millions de données par seconde. Ces données une fois filtrées,
restera  une  centaine  de  collisions  par  seconde  potentiellement  intéres-
santes.  Le  flux  de  données  provenant  des  quatre  expériences  s’élèvera  à
environ 700 mégaoctets par seconde (Mo/s), soit quelque 15 000 000 Go
(15  Po)  par  an  -  l’équivalent  d’une  pile  de  CD-ROM  haute  de  20  km.

Guide du

LHC

}

ATLAS produira 320 Mo/s

}

CMS produira 220 Mo/s

}

LHCb produira 50 Mo/s

}

ALICE produira 100 Mo/s

Pile de CD avec
1 an de données LHC !
(~ 20 Km)

Ballon-sonde
(30 km)

Concorde
(15 km)

Mont-Blanc
(4.8 km)

Guide du

LHC

Quelle

est la consommation d’électricité du LHC ?

Environ 120 MW (230 MW pour tout le CERN), ce qui correspond à
peu près à la puissance consommée par l’ensemble des ménages
du canton de Genève. En supposant que l’accélérateur fonctionne
270 jours par an (la machine s’arrête pendant la période d’hiver),
la consommation annuelle d’énergie du LHC en 2009 devrait être
d’environ 800 000 MWh. Ce chiffre comprend la consommation de
la machine, de ses infrastructures et des expériences. Le coût an-
nuel total pour faire fonctionner le LHC sera alors d’environ 19 mil-
lions d’euros. Le CERN est principalement alimenté en électricité
par la compagnie française EDF (les compagnies suisses EOS et SIG
Swiss fournissent également de l’électricité en cas de pénurie côté
français).

Une grande partie de la consommation électrique du LHC ser-
vira à maintenir le système d’aimants supraconducteurs à ses
températures de fonctionnement (1,8 K ou 4,2 K selon les ai-
mants). Grâce à la technologie supraconductrice utilisée pour les
aimants, la consommation nominale du LHC n’est pas beaucoup
plus élevée que celle du Supersynchrotron à protons (SPS), alors
que le LHC est beaucoup plus grand et fonctionne à une énergie
bien plus élevée.

Environnement

Quelle

est la consommation d’électricité du LHC ?

faq

Guide du

LHC

Les collisions

se produisant dans le LHC sont-elles

dangereuses ?

Le LHC peut atteindre des énergies qu’aucun accélérateur de parti-
cules n’a atteintes auparavant. Jusqu’à présent, ce n’est que dans la
nature qu’on trouve des énergies aussi élevées. Seule une machine
aussi puissante peut permettre aux physiciens de continuer à sonder
les grands mystères de l’Univers. Des craintes se sont exprimées à
l’égard de ce qui pourrait être créé lors de collisions de particules à
haute énergie. Il n’y a pourtant aucune raison de s’inquiéter.

}

Des collisions d’une énergie sans précédent ?

Sans précédent sur

Terre ! Les accélérateurs ne font que recréer, dans des conditions
de laboratoire, le phénomène naturel des rayons cosmiques, ces
particules produites dans l’espace intersidéral lors d’événements
tels que la formation de supernovae ou de trous noirs, et ac-
célérées à des énergies dépassant largement celles du LHC. Les
rayons  cosmiques  voyagent  à  travers  l’Univers  et  bombardent
l’atmosphère  de  la  Terre  de  manière  ininterrompue  depuis  sa
formation, il y a 4,5 milliards d’années. Bien que la puissance
du LHC soit impressionnante si on la compare à celles d’autres
accélérateurs,  les  énergies  produites  lors  des  collisions  sont
bien faibles par rapport à celles de certains rayons cosmiques.
Comme les énergies très supérieures dégagées par les collisions
qui ont lieu dans la nature depuis des milliards d’années n’ont
pas eu de conséquences néfastes pour la Terre, il n’y a aucune
raison de penser que les événements produits dans le LHC pour-
raient en avoir. Les rayons cosmiques n’entrent pas en collision
uniquement avec la Terre, mais aussi avec la Lune, Jupiter, le
Soleil et d’autres corps célestes. Le nombre total de ces colli-
sions est gigantesque comparé à celui que l’on espère atteindre
avec le LHC. Le fait que les planètes et les étoiles soient encore
intactes nous conforte dans l’idée que les collisions se produi-
sant au LHC sont sûres. L’énergie du LHC, énorme, il est vrai,
pour un accélérateur, n’est que bien modeste à l’échelle de la
nature.

}

Des Big Bangs miniatures ?

Bien que la concentration (ou den-

sité) d’énergie lors des collisions de particules au LHC soit très
élevée, l’énergie absolue est très faible comparée aux énergies
auxquelles nous avons affaire au quotidien, ou aux énergies pro-
duites par les collisions entre rayons cosmiques. Cependant, à
l’échelle,  très  petite,  d’un  faisceau  de  protons,  cette  concen-
tration  d’énergie  reproduit  la  densité  d’énergie  qui  a  existé
quelques  instants  après  le  Big  Bang  :  c’est  pour  cela  que  les
futures collisions au LHC sont parfois qualifiées de « Big Bangs
miniatures ».

}

Des trous noirs ?

Dans l’Univers, l’effondrement d’étoiles mas-

sives  crée  des  trous  noirs  massifs,  des  objets  qui  renferment
d’énormes  quantités  d’énergie  gravitationnelle  attirant  la  ma-
tière environnante. La force gravitationnelle d’un trou noir est
liée à la quantité de matière ou d’énergie qu’il contient : moins
il y a de matière, plus sa force d’attraction est faible. Certains
physiciens  pensent  que  des  trous  noirs  microscopiques  pour-
raient être produits lors des collisions dans le LHC. Cependant,
ceux-ci seraient créés avec les énergies des particules entrant
en collision (équivalant aux énergies de nos moustiques) ; par
conséquent, aucun trou noir microscopique produit à l’intérieur
du LHC ne pourrait générer une force gravitationnelle suffisante
pour absorber la matière environnante. Si le LHC peut produire
des trous noirs microscopiques, les rayons cosmiques, d’énergie
beaucoup plus élevée, en ont nécessairement déjà produit beau-
coup  plus.  Et  comme  la  Terre  est  toujours  là,  il  n’y  a  aucune
raison  de  penser  que  les  collisions  à  l’intérieur  du  LHC  soient
dangereuses.

Les trous noirs perdent de la matière en émettant de l’énergie
par un processus mis en lumière par Stephen Hawking. Les trous
noirs qui ne peuvent attirer de la matière, tels que ceux qui
pourraient être produits au LHC, rétrécissent, s’évaporent et dis-
paraissent. Plus le trou noir est petit, plus vite il s’évanouit. Si
des trous noirs microscopiques devaient se former dans le LHC,
ils n’existeraient que pendant un instant fugace. Leur existence
serait si courte que la seule façon de les repérer serait de détecter
les produits de leur désintégration.

Guide du

LHC

Les collisions

se produisant dans le LHC sont-elles

dangereuses ?

}

Des collisions d’une énergie sans précédent ?

Sans précédent sur

}

Des Big Bangs miniatures ?

Bien que la concentration (ou den-

}

Des trous noirs ?

Dans l’Univers, l’effondrement d’étoiles mas-

Guide du

LHC

}

Des strangelets ?

Les strangelets sont d’hypothétiques petits morceaux

de  matière  dont  l’existence  n’a  jamais  été  démontrée.  Ils  seraient
composés  de  quarks  «  étranges  »,  des  parents  plus  lourds  et  plus
instables des quarks qui constituent la matière stable. Même si les
strangelets  existaient,  ils  seraient  instables.  En  outre,  leur  charge
électromagnétique repousserait la matière ordinaire ; ainsi, au lieu de
se combiner avec des substances stables, ils se désintégreraient, tout
simplement. Si des strangelets devaient être produits au LHC, ils ne
feraient pas beaucoup de dégâts. Si ces strangelets existent, ils ont
déjà été créés par les rayons cosmiques de haute énergie, et là non
plus, aucun dégât n’est à déplorer à ce jour.

}

Des rayonnements ?

Les rayonnements sont inévitables dans les ac-

célérateurs comme le LHC, car les collisions des particules, qui nous
permettent d’étudier l’origine de la matière, génèrent également des
rayonnements. Le CERN, grâce à des moyens de protection actifs et
passifs, à des détecteurs de rayonnements et à diverses procédures,
veille à ce que l’exposition aux rayonnements du personnel et de la
population soit la plus faible possible et se situe bien en dessous des
limites dictées par les normes de sécurité internationales. À titre de
comparaison, la radioactivité naturelle (due aux rayons cosmiques
et à la radioactivité naturelle de l’environnement) reçue par chacun
en Suisse est d’environ 2400 µSv/an ; pour un aller-retour Europe-
Los Angeles, comptez 100 µSv. Le tunnel du LHC est situé à 100 m
sous terre, à une profondeur telle que ni les rayonnements produits
pendant l’exploitation, ni la radioactivité résiduelle, ne peuvent être
détectés en surface. L’air sera pompé du tunnel et filtré. Les études
ont montré que la dose de radioactivité libérée dans l’air à laquelle la
population sera exposée ne dépassera pas 10 µSv/an.

Les normes du CERN pour la protection de l’environnement et du
personnel sont conformes aux législations nationales suisse et
française, ainsi qu’à la directive 96/29/EURATOM du Conseil de
l’Union européenne. Selon les législations suisse et française, une
activité professionnelle ne peut en aucun cas conduire à une dose
efficace supérieure à 20 mSv par an pour les personnes profession-
nellement exposées et supérieure à 1 mSv par an pour les person-
nes non professionnellement exposées et pour la population.

Quelles

sont les règles régissant l’accès au LHC ?

Hors  période  d’exploitation,  la  plus  grande  partie  du
tunnel  du  LHC  ne  sera  que  faiblement  radioactive,
l’essentiel des débits de dose résiduels étant concen-
trés dans des zones particulières de la machine comme
les cavernes d’arrêt de faisceau, où le faisceau est ab-
sorbé dans son intégralité à la fin de chaque période
d’exploitation,  et  les  zones  de  collimation  des  fais-
ceaux.

Seul le personnel technique autorisé pourra accéder au
tunnel du LHC. Un technicien spécialiste de la radiopro-
tection entrera d’abord pour mesurer le débit de dose à
l’endroit où doit avoir lieu l’intervention demandée. Il
évaluera à quel moment l’intervention pourra avoir lieu
et combien de temps elle pourra durer.

Quelle

est la consommation d’hélium du LHC ?

Le chiffre exact des pertes d’hélium pendant
l’exploitation du LHC n’est pas encore connu. Il
dépendra de plusieurs facteurs tels que le nombre de
transitions résistives des aimants, d’interruptions de
courant, etc. Ce que l’on sait, c’est qu’il faudra envi-
ron 120 tonnes d’hélium pour refroidir et remplir le
LHC à la première mise en route.

Guide du

LHC

Quelles

sont les règles régissant l’accès au LHC ?

Quelle

est la consommation d’hélium du LHC ?

Guide du

LHC

Que

se passe-t-il si le faisceau devient instable ?

L’énergie stockée dans les faisceaux du LHC est sans précédent. Une
perte incontrôlée de faisceau pourrait endommager certains équipe-
ments de l’accélérateur. Tout est donc mis en œuvre pour que cela
ne se produise jamais. Pour que le LHC soit exploité dans de bonnes
conditions de sécurité, plusieurs systèmes doivent fonctionner cor-
rectement : les collimateurs et les absorbeurs de faisceau, les sys-
tèmes d’éjection, de surveillance et de verrouillage des faisceaux,
ainsi que le système de protection contre les transitions. Si un
faisceau devient instable, la perte de faisceau sera détectée et, en
l’espace de trois révolutions (< 0,3 ms), un jeu d’aimants extraira le
faisceau du LHC. Le faisceau empruntera ensuite un tunnel spécial
jusqu’au bloc d’arrêt des faisceaux, le seul dispositif du LHC capable
de supporter l’impact de la totalité d’un faisceau. Le cœur du bloc
d’arrêt est composé d’un empilement de plaques de graphite de dif-
férentes densités.

L’énergie totale maximale de chaque faisceau est d’environ
350 MJ, ce qui correspond à l’énergie d’un train de 400 tonnes,
comme le TGV, lancé à 150 km/h. Une telle énergie suffit à faire
fondre environ 500 kg de cuivre. L’énergie totale stockée dans les
aimants du LHC est quelque 30 fois plus élevée (11 GJ).

Guide du

LHC

Le LHC en 10 propriétés

remarquables

Lors de l’excavation du tunnel circulaire de 27 km de long, entre le lac

Léman et la chaîne du Jura, les deux bouts du tunnel se sont rejoints à 1 cm
près.

Chacun des 6400 filaments supraconducteurs de niobium-titane du câble

fabriqué pour le LHC a une épaisseur de 0,007 mm, c’est-à-dire 10 fois plus
fin qu’un cheveu. Mis bout à bout, tous les filaments permettraient de faire
cinq fois l’aller retour entre la Terre et le Soleil, et il en resterait encore assez
pour quelques voyages vers la Lune.

Tous les protons accélérés au CERN sont obtenus à partir d’hydrogène

standard. Bien que les faisceaux du LHC contiennent de très nombreux pro-
tons, seuls 2 nanogrammes d’hydrogène(*) sont accélérés chaque jour. Il
faudrait donc 1 million d’années pour accélérer un gramme d’hydrogène avec
le LHC.

Le cœur du LHC sera le plus grand réfrigérateur du monde. Avec une tem-

pérature plus froide que celle de l’espace intersidéral, il contiendra du fer, de
l’acier et les fameuses bobines supraconductrices.

La pression dans les tubes de faisceau du LHC sera environ dix fois plus

faible que sur la Lune. Ce sont les conditions de l’ultravide.

Les protons à pleine énergie circuleront dans le LHC à une vitesse de

0,999999991 fois celle de la lumière. Chaque proton fera plus de 11 000 fois
par seconde le tour de l’anneau de 27 km.

À énergie maximale, chacun des deux faisceaux de protons dans le LHC

aura une énergie totale équivalente à un train de 400 t, comme le TGV, lancé
à 150 km/h, assez pour faire fondre 500 kg de cuivre.

Le Soleil ne se couche jamais sur la collaboration ATLAS. Les scientifiques

qui y travaillent viennent de tous les continents, sauf l’Antarctique.

Le système magnétique de CMS contient environ 10 000 t de fer ; plus

que la Tour Eiffel.