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#1  12-09-2008 03:50:10   LHC (2/2) : enjeux et expériences

Après le premier article concernant le LHC (voir : LHC 1/2 : un instrument hors norme), consacré à la présentation et aux caractéristiques de ce dernier, ce second article s'intéresse aux enjeux et présente plus précisemment les expériences qui seront menées grâce aux différents détecteurs (dont les photos illustrent cet article, les photos des 2 détecteurs restants étant sur le premier article).

Aimant du détecteur CMS
Aimant du détecteur CMS
Les scientifiques qui s'occupent de la physique des particules tentent de comprendre la constitution précise de la matière (toutes les particules élémentaires et leurs intéractions). Ils établissent des théories complexes, qui décrivent tous ces constituants, et qui expliquent également la manière dont l'univers a été créé juste après le Big Bang (c'est à dire comment les différentes particules se sont associées pour donner naissance aux premiers atomes, aux premières molécules, puis aux galaxies, etc...).
La théorie actuellement la plus aboutie et la plus acceptée, établie pendant les dernières décennies (et évoluant au fur et à mesure des découvertes), s'appelle le "modèle standard".

Mais évidemment, toute théorie, même "séduisante", doit être confrontée à des données expérimentales pour être validée. Or certaines particules ne se manifestent qu'à de très hautes énergies, dans des conditions de température et de pression extrêmes telles qu'elles existaient seulement une fraction de seconde après le Big Bang.

Il faut donc disposer d'instruments très puissants pour pouvoir espérer créer ces particules ultimes et fugaces (qui se désintègrent très rapidement aprés avoir été crées), et pouvoir remonter le plus près possible des conditions initiales de l'univers.

C'est pour cela que le LHC a été conçu. Il permettra (espère t-on) de répondre aux interrogations restantes des physiciens, de traquer les particules encore non observées à présent, voire d'en découvrir d'autres, faisant ainsi encore évoluer la théorie.

Les enjeux : que cherche t-on ?


Aimant du détecteur ALICE
Aimant du détecteur ALICE
- Le boson de Higgs : depuis de nombreuses années, cette particule est devenue un peu le Graal des physiciens. En effet, théorisée dès 1964, elle n'a jamais été observée, et c'est la dernière (dans le modèle actuel) dans ce cas. Cette recherche (deux des six expériences du LHC y sont particulièrement consacrées, dont le gros détecteur ATLAS) fait l'objet d'une compétition avec le Tevatron américain, qui pourrait d'ailleurs bien découvrir la particule avant le LHC (à cause de la longue phase de mise en service de ce dernier).
Evidemment, plus que la découverte attendue, c'est son absence qui serait vraiment problèmatique : cela remettrait en cause toute la théorie actuelle...
Expériences : ATLAS, CMS.

- L'origine de la masse : d'où vient la masse des différentes particules ? Pourquoi certaines n'en ont pas ? Là encore, la réponse viendrait éventuellement du boson de Higgs, qui confèrerait cette masse par les intéractions qu'il aurait avec les autres particules.
Expériences : ATLAS, CMS.

- La matière noire : l'une des principales avancées en cosmologie de ces dernières années a été la découverte (ou plus exactement l'intuition, pour l'instant vérifiée uniquement de manière indirecte) que seulement 4% de l'univers était constitué de matière "normale" (c'est à dire composée des particules connues). Quelque 23% serait de la "matière noire", encore inconnue aujourd'hui, et le reste serait de "l'énergie sombre" ou "énergie du vide". Les physiciens espèrent donc oberver de nouvelles particules lourdes qui pourraient caractériser cette matière noire et aider à sa compréhension.
Expériences : ATLAS, CMS.

- L'antimatière : la soeur jumelle de la matière est composée de particules identiques mais possédant une charge électrique opposée. Au moment du Big Bang, matière et antimatière ont normalement été crées en quantités égales. Mais matière et antimatière s'annihilent mutuellement en se rencontrant, et se transforment en énergie. Pourquoi reste t-il donc désormais uniquement de la matière dans l'univers ? Pour répondre à cette question, une expérience spécifique du LHC (LHCb) tentera de mesurer finement les différences (de caractéristiques et de comportement) entre la matière et l'antimatière.
Expériences : LHCb.

Partie des détecteurs TOTEM
Partie des détecteurs TOTEM
- La "soupe primordiale" : c'est ainsi que l'on appelle ce qui existait juste après le Big Bang, avant la formation des protons. Un état particulier de la matière, appelé aussi plasma de quarks et de gluons (cocktail chaud et dense de particules fondamentales), que sera chargé de re-créer et d'analyser le détecteur ALICE.
Expériences : ALICE.

- Les autres dimensions : certaines théories récentes (en particulier la "théorie des cordes") supposent qu'il existerait d'autres dimensions spatiales que les 3 actuellement connues. Ces nouvelles dimensions pourraient être détectées aux très hautes énergies produites par le LHC.
Expériences : ATLAS, CMS.

Bien entendu, d'autres "choses" non prévues ou hypothétiques pourraient également être découvertes, comme de nouveaux états de la matière ("strangelet", trous noirs microscopiques, "bulle de vide") ou de nouvelles particules ("monopôles magnétiques").

Ce sont principalement tous ces cas "spéciaux" qui ont alimenté les craintes de certains pendant ces derniers mois : en effet, la plupart de ces "choses" possèdent un caractère potentiellement dangereux, et la médiatisation à outrance a conduit bon nombre à annoncer la fin du monde... (n'hésitant pas à la situer avant-hier, alors qu'en se renseignant un minimum ils auraient su que le test du 10 septembre ne comportait même pas de collision !)

Tous ces "dangers potentiels" ont bien entendu fait l'objet d'études sérieuses et de démentis officiels de la part des plus grands spécialistes en la matière (la plupart du temps, la même théorie qui suppose la création de ces objets préconise également leur disparition après un temps très court, c'est le cas par exemple des fameux trous noirs microscopiques de Stephen Hawkins).
On ne peut néanmoins pas écarter totalement certains risques inhérents à ce genre d'expérience extrême. Mais c'est aussi comme cela que la Science progresse...

Les expériences et détecteurs


Les 6 expériences réalisées au LHC sont caractérisées par leur détecteur spécifique, chaque détecteur étant indépendant et différent (autant par sa localisation que par sa conception). Certains de ces détecteurs sont polyvalents et peuvent être utilisés pour détecter et analyser plusieurs types de particule et/ou d'effet. C'est pourquoi la répartition de ces expériences ne suit pas tout à fait la répartition des recherches évoquées dans le paragraphe précédent.

- ATLAS : détecteur polyvalent, le plus gros en volume jamais construit (45m x 21m x 21m, 7000 t). Ce détecteur servira peu lors des premiers mois d'exploitation, il ne donnera de vrais résultats qu'aux très hautes énergies (la phase de rodage à basse énergie servant de calibration).
Utilité : boson de Higgs, autres dimensions, matière noire (particules supersymétriques).

- CMS : détecteur polyvalent (21m x 15m x 15m, 12 500 t), c'est le cousin du détecteur ATLAS, et servira les mêmes buts que celui-ci. Mais sa conception est radicalement différente en terme de choix techniques, et également quant à son assemblage (c'est le seul détecteur à avoir été construit en surface puis descendu sous terre en tranches).
Utilité : boson de Higgs, autres dimensions, matière noire (particules supersymétriques).

Détecteur LHCf
Détecteur LHCf
- ALICE : détecteur destiné à re-créer les conditions initiales du Big Bang (26m x 16m x 16m, 10 000 t). Cette expérience est la plus ancienne proposée (1992), et constituait à cette époque une véritable extrapolation sur les progrès techniques et théoriques qui SERAIENT réalisés en 15 ans. Il a donc fallu faire preuve d'une grande flexibilité dans la conception : en particulier le plasma quarks-muons était au départ considéré comme un gaz, maintenant on l'imagine sous forme de fluide non visqueux ; de même on se demandait à l'époque comment traiter les 1,25 Go/s de données générées, maintenant l'informatique et les réseaux sont suffisamment évolués pour que cela ne soit pas un problème.
Utilité : soupe primordiale.

- LHCb : le 'b' fait référence au quark "beauty" et son anti-quark associé qui seront plus particulièrement étudiés par ce détecteur (21m x 13m x 10m, 5 600 t) afin de déceler les différences matière / antimatière.
Utilité : matière / antimatière.

- TOTEM : ce détecteur (440m x 5m x 5m, 20 t), ou plutôt série de détecteurs, contribuera à améliorer la connaissance de la structure interne des protons et des principes qui déterminent leur forme et leur taille en fonction de leur énergie. Par ailleurs, de telles données fourniront une mesure indépendante et très précise de la luminosité du LHC ainsi que des sections efficaces individuelles qui pourront être utilisées par les autres expériences.
Utilité : connaissance des protons, données diverses.

- LHCf : cet ensemble de 2 détecteurs (30cm x 10cm x 80cm, 40kg chacun) de mieux connaître les rayons cosmiques provenant de l’espace interstellaire et qui bombardent constamment l’atmosphère terrestre.
Utilité : connaissance des rayons cosmiques.

Sources et photos : documents officiels CERN.