A propos d’accélérateurs de particules…

Today is the time for writing something in French. I adapt a post on particle accelerators whose English version can be found here. For something fresh and juicy in English, let’s wait for the end of the week.

Et sans transition et en français à présent, me revoilà comme promis avec un nouvel article dans la langue de Molière, où je vais discuter des accélérateurs et collisionneurs de particules.

Plus précisément, je vais parler du plus gros complexe expérimental jamais conçu par l’être humain, le Grand Collisionneur de Hadrons du CERN (en Suisse) plus connu sous l’acronyme de LHC.

Cette machine permet (oui je parle au présent!) de tester sous toutes ses coutures le Modèle Standard de la physique des particules (voir ici, ici et ici pour plus d’infos). De plus, elle offre aussi aux physiciens un moyen de rechercher ce qui se trouve au-delà du Modèle Standard.

Pour ceux et celles qui s’intéressent aux records liés au LHC, il suffit de jeter un œil au dernier paragraphe de cet article ;)

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Les principes de base des accélérateurs de particules

Comme plus ou moins mentionné ci-dessus, les grands accélérateurs de particules sont conçus par les physiciens pour sonder le monde de l’infiniment petit. Ces machines permettent d’accélérer (on parle d’un accélérateur après tout) des particules subatomiques à des vitesses proches de la vitesse de la lumière.

Ensuite, on les envoie l’une vers l’autre et boom… elles se collisionnent. Leur grande vitesse implique que nous avons une énorme quantité d’énergie (cinétique pour être précis) suffisante pour donner lieu à des phénomènes potentiellement nouveaux.

Par conséquent, Einstein peut entrer en action. Grâce à toute l’énergie disponible, on pourra produire de nouvelles particules (masse est énergie, et énergie est masse). Je rappelle que seule l’énergie est conservée; ni la masse, ni le nombre de bestioles produites.

Mais comment tout cela fonctionne-t-il ?

Le point de départ consiste en Newton et ses lois du mouvement. Elles nous disent que la force appliquée à un système se traduit par une accélération. Si l’on veut accélérer un objet, il suffit donc de lui appliquer une force.

Les particules que nous voulons accélérer sont chargées, de sorte qu’elles sont sensibles aux forces électriques et magnétiques (dites force de Lorentz). Et c’est la clé : les physiciens utilisent des champs électriques, qui génèrent une force électrique qui mène alors à l’accélération de la particule.

Et pour éviter d’envoyer nos particules dans le décor, on contrôle leur trajectoire à l’aide de champ et forces magnétiques.

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Le LHC

Le LHC est la plus grande machine jamais construite par l’homme. Il s’agit d’une machine circulaire de 27 kilomètres de long, enterrée à une profondeur allant de 45 à 170 mètres et se trouvant entre la France et la Suisse.

Le tunnel du LHC permet la circulation de deux faisceaux de particules en sens opposés. Ces derniers se croisent à quatre points d’interaction où se trouvent des détecteurs géants observant et enregistrant les résultats des collisions.

Le LHC collisionne des protons (des noyaux d’atomes d’hydrogène) afin d’étudier (et tester) le Modèle Standard et son au-delà, ainsi que des particules plus lourdes comme des noyaux de plomb. Cela permet de sonder un état de la matière proche de ce que nous avions aux premiers instants de l’univers.

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Parlons des records du LHC

Les protons sont accélérés à 99.9999999% de la vitesse de la lumière. En terme d’énergie, on peut voir cela comme un TGV roulant à 150km/h (mais le tout concentré dans un atome d’hydrogène microscopique), ou encore une quantité d’énergie par collision plus importante qu’au centre des étoiles les plus chaudes.

Accélérer des particules demande de générer des champs magnétiques et électriques, et donc des aimants. Le LHC contient des super-aimants capable de générer un champ magnétique 100.000 fois plus intense que celui de la Terre.

Générer un tel champ n’est pas simple et requiert un courant électrique de 12.000 ampères pour que tout fonctionne comme il faut. On peut comparer à la centaine d’ampères présents dans ls sytème électrique d’une habitation.

Tout cela implique de travailler à une température plus froide que dans le vide intersidéral (i.e. à -271.25 degrés Celsius).

Si on veut traduire tout cela en terme de puissance électrique, on peut mentionner 120 MW. C’est suffisant pour alimenter tout le canton de Genève!

Il reste encore deux chiffres que j’aimerais mentionner, celui du vide dans lesquels circulent les faisceaux (10^-13 bar). Cette pression est 10 fois moindre que celle ressentie, par exemple, sur la lune.

Et finalement, histoire de discuter les défis des physiciens, parlons du taux de collisions (qui est crucial pour la recherche de nouveaux phénomènes). Au LHC, il y a environ un milliard de collisions par seconde. Non seulement, la grosse majorité d’entre elles sont banales, mais nous ne pouvons en plus stocker toute l’information (l’électronique étant limitée). En pratique, ce nombre est réduit significativement grâce à un système de triggers permettant de déterminer extrêmement rapidement si la collision est potentiellement intéressante ou non.

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Résumé

Avec cet article, j’ai discuté brièvement les principes de fonctionnement des accélérateurs de particule et je me suis ensuite focalisé sur le LHC, le plus gros collisionneur actuellement opérationnel (et qui est au repos pour encore plus d’une année; c’est donc le moment de réserver une visite!).

Plus d’informations se trouvent sur le site web du LHC. Surtout, n’hésitez pas à me cuisiner si vous avez le moindre doute ou question. Je réponds toujours!

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