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LHC Large hadron collider

par JJ Chevallier

Le LHC (Large Hadron Collider) 

 

C'est le plus grand accélérateur de particules au monde, situé au CERN près de Genève, à la frontière franco-suisse. Voici quelques points clés :

  • Fonctionnement : Il accélère des protons (et parfois des ions lourds) à des vitesses proches de celle de la lumière, puis les fait entrer en collision pour étudier la matière à des échelles subatomiques.

  • Objectif scientifique : Explorer les lois fondamentales de la physique, tester le Modèle Standard, et rechercher des phénomènes comme la matière noire ou des particules hypothétiques.

  • Découverte majeure : En 2012, le LHC a permis la découverte du boson de Higgs, une particule clé pour expliquer la masse des autres particules.

  • Dimensions : Un anneau de 27 km de circonférence, enfoui à environ 100 mètres sous terre.

  • Expériences principales : ATLAS, CMS, ALICE et LHCb, chacune avec des objectifs spécifiques (par exemple, ATLAS et CMS ont confirmé le boson de Higgs).

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Comment fonctionne le LHC ?

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  • Principe : Le LHC est un accélérateur circulaire. Il utilise des champs électromagnétiques pour propulser des protons à des vitesses proches de la lumière dans un tunnel de 27 km.

  • Collisions : Deux faisceaux de particules circulent en sens opposé et se percutent dans des zones spécifiques où sont installés des détecteurs géants.

  • Énergie : Les collisions atteignent des énergies de plusieurs téraélectronvolts (TeV), recréant des conditions proches de celles juste après le Big Bang.

Schéma de fonctionnement du LHC.jpg

L’anneau principal

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C’est le tunnel circulaire de 27 km où les protons sont accélérés à des vitesses proches de la lumière.

  • Il est situé à environ 100 mètres sous terre, à la frontière franco-suisse.

    • Vide dans le tunnel : 10⁻¹³ atmosphères, plus vide que l’espace.

    • Débit de collisions : jusqu’à 1 milliard de collisions par seconde.

 

Les tunnels et infrastructures

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  • Autour de l’anneau, des cavités radiofréquence[*] accélèrent les particules.

  • Des systèmes cryogéniques maintiennent les aimants à -271 °C (près du zéro absolu).

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Les faisceaux de protons

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  • Deux faisceaux circulent en sens opposé dans des tubes distincts.

    • Vitesse : 99,9999991 % de la vitesse de la lumière.

    • Énergie par faisceau : 6,8 TeV (téraélectronvolts) actuellement, soit 13,6 TeV lors des collisions.​

 

Les expériences principales

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  • ATLAS : Détecteur généraliste,

    • Étudie un large éventail de phénomènes, dont le boson de Higgs en 2012.

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  • CMS : Similaire à ATLAS, mais avec une conception différente pour confirmer les résultats.

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  • ALICE : Spécialisée dans la physique des ions lourds et la matière primordiale (plasma quarks-gluons). :

    • Etudie le plasma quarks-gluons à des températures de plusieurs trillions de degrés.

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  • LHCb : Analyse les différences entre matière et antimatière pour comprendre pourquoi l’univers est dominé par la matière.

 

Les collisions

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  • Les faisceaux se croisent aux points d’expériences, provoquant des collisions à très haute énergie.

  • Ces collisions permettent de recréer des conditions proches du Big Bang.​

 

Améliorations et futur

  • Phase actuelle : Le LHC est en cours d’upgrade pour devenir le HL-LHC (High Luminosity LHC), prévu pour 2029. Objectif : multiplier le nombre de collisions pour obtenir plus de données.

  • Projets futurs : Le CERN envisage un accélérateur encore plus grand, le FCC (Future Circular Collider), avec une circonférence de 100 km.

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Tableau LHC.jpg

* Comment fonctionne une cavité RF ?

Une cavité RF agit comme un « coup de pouce électrique » pour les particules. Elle crée un champ électrique oscillant à très haute fréquence (400 MHz au LHC). Quand une particule passe au bon moment, elle reçoit une impulsion d’énergie qui augmente sa vitesse.

Analogie simple : Imaginez un enfant sur une balançoire. Si vous poussez au bon moment, la balançoire va plus haut. La cavité RF fait la même chose : elle « pousse » les particules à chaque passage pour qu’elles atteignent des vitesses proches de la lumière :

  • Fréquence : 400 MHz (ondes radio)

  • Tension : plusieurs millions de volts Synchronisation parfaite avec le faisceau

  • Objectif : maintenir l’accélération progressive dans l’anneau

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