Le Grand collisionneur d’hadrons du CERN, décrit comme la plus grande expérience scientifique de l’histoire de l’humanité, est mis sous tension à Genève, en Suisse
Le Grand collisionneur d’hadrons (Large Hadron Collider en anglais) du CERN (Centre européen de recherche nucléaire) est alimenté à la frontière franco-suisse près de Genève. L’accélérateur à Big Bang doit recréer les circonstances de la formation de l’univers il y a 13,82 milliards d’années. L’accélérateur de particules est composé de 1 600 aimants qui génèrent un champ magnétique et permettent l’entrée en collision des particules. Des protons seront projetés les uns contre les autres à la vitesse de la lumière et les débris seront ensuite analysés.
Les protons seront propulsés dans une rampe de lancement longue de 27 km située à 100 mètres sous terre. Coût de l’expérience : 14 milliards de dollars. 10 000 scientifiques contribueront à l’expérience. Cette machine, officiellement inaugurée le 21 octobre 2008, est le fruit de plus de 20 ans de travail.
Le grand collisionneur d’hadrons du CERN est sous tension
Le 10 septembre 2008, des scientifiques ont réussi pour la première fois à basculer l’interrupteur du Grand collisionneur d’hadrons [Large Hadron Collider] (LHC) au laboratoire de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) à Genève, lançant ce que beaucoup ont appelé la plus grande expérience scientifique de l’histoire.
Testant les théories de la physique des particules, le LHC, d’une valeur de 8 milliards de dollars, est le plus grand accélérateur de particules au monde, composé d’aimants supraconducteurs qui permettent aux ingénieurs et aux physiciens d’étudier les particules subatomiques, notamment les protons, les électrons, les quarks et les photons. Le LHC peut créer 600 millions de collisions par seconde.
L’anneau souterrain de 17 milles, situé sous la frontière franco-suisse, envoie des faisceaux de particules à une vitesse proche de la lumière, les faisant entrer en collision et recréant les débris causés par le Big Bang. Au moment de son lancement, certains scientifiques et écologistes ont émis l’hypothèse que le LHC créerait un mini trou noir qui pourrait mettre fin au monde. Ces affirmations ont été réfutées par le CERN et le physicien Stephen Hawking, qui ont déclaré que tout mini trou noir s’évaporerait instantanément.
L’objectif du LHC, le plus grand instrument scientifique de la planète, était de créer et de découvrir le boson de Higgs, plus connu sous le nom de « particule divine ». En 1964, Peter Higgs et François Englert ont proposé la théorie selon laquelle la particule associée à un champ d’énergie transmettant la masse était la clé de la façon dont tout dans l’univers acquiert de la masse.
En 2012, le CERN a annoncé que les expériences du LHC avaient permis aux chercheurs d’observer une particule compatible avec le boson de Higgs. Le 8 octobre 2013, Higgs et Englert ont reçu le prix Nobel de physique, « pour la découverte théorique d’un mécanisme qui contribue à notre compréhension de l’origine de la masse des particules subatomiques, et qui a récemment été confirmé par la découverte de la particule fondamentale prédite, par les expériences ATLAS et CMS au Grand collisionneur de hadrons du CERN
Grand collisionneur d’hadrons
Le LHC est l’accélérateur de particules le plus grand et le plus puissant du monde. C’est un anneau de 27 kilomètres de circonférence, formé de milliers d’aimants supraconducteurs et doté de structures accélératrices pour accroitre l’énergie des particules à chaque passage.
The Cops Tryna Catch Ezra Miller after the CERN Particle Accelerator: pic.twitter.com/CxxyCGRkJH
— K4MI (@K4Sanin) July 5, 2022
Le LHC est l’accélérateur de particules le plus grand et le plus puissant du monde. Il a démarré le 10 septembre 2008 et est le dernier maillon du complexe d’accélérateurs du CERN. Il consiste en un anneau de 27 kilomètres de circonférence formé d’aimants supraconducteurs et de structures accélératrices qui augmentent l’énergie des particules qui y circulent.
What would you like to #AskAPhysicist?
If you want to know more about the #LHC – the world's largest particle accelerator – its experiments, and CERN’s #physics research, leave your questions below with the hashtag #AskAPhysicist by Friday, 5 May 2023.
The most liked ones will… pic.twitter.com/L6RBHkyKCr
— CERN (@CERN) May 2, 2023
À l’intérieur de l’accélérateur, deux faisceaux de particules circulent à des énergies très élevées et à une vitesse proche de celle de la lumière avant de rentrer en collision l’un avec l’autre. Les faisceaux circulent en sens opposé, dans des tubes distincts placés sous un vide très poussé (ultravide). Ils sont guidés le long de l’anneau de l’accélérateur par un puissant champ magnétique, généré par des électroaimants supraconducteurs. Ces derniers sont composés de bobines d’un câble électrique spécial fonctionnant à l’état supraconducteur, c’est-à-dire conduisant l’électricité sans résistance ni perte d’énergie. Pour cela, les aimants doivent être refroidis à -271°C, une température plus froide que celle de l’espace intersidéral. C’est la raison pour laquelle une grande partie de l’accélérateur est reliée à un système de distribution d’hélium liquide qui refroidit les aimants ainsi que d’autres systèmes annexes.
L’accélérateur géant voit le premier faisceau circuler avec succès.
Le plus grand accélérateur de particules au monde est officiellement en marche. Juste avant 10h30 heure locale ce matin, les physiciens ont réussi à faire circuler les premiers protons autour de l’anneau de 27 kilomètres du Grand collisionneur de hadrons (LHC), situé au CERN à l’extérieur de Genève, en Suisse. « Merci, merci », soulagée Lyn Evans, chef de projet du LHC, a remercié les physiciens et ingénieurs qui applaudissaient. La circulation du premier faisceau est l’aboutissement d’une décennie et demie d’efforts de la part des chercheurs pour construire ce qui est probablement la plus grande expérience scientifique jamais vue. Mais il reste encore beaucoup à faire avant que les expériences puissent commencer.
The #LHC (Large Hadron Collider) is the world's largest & most powerful particle accelerator (27km) at #CERN / #Switzerland. It collides particles at high speeds, recreating post-Big Bang conditions. It discovered the Higgs boson in 2012 & explores dark matter & other things. pic.twitter.com/rKaB664QDF
— BlindAsABat (@BlindAsABat6) August 17, 2023
Le conseil d’administration du CERN a donné l’approbation officielle pour le LHC en 1994, mais sa construction était loin d’être simple. En 2002, des dépassements de coûts ont retardé le projet d’un an. Deux ans plus tard, une erreur de fabrication a forcé les physiciens à remplacer 3 kilomètres d’équipement de vide de haute technologie utilisé pour transférer l’hélium liquide vers ses aimants dipolaires supraconducteurs. « Tout n’a pas été clair », déclare Jim Virdee, physicien à l’Imperial College de Londres et porte-parole de la collaboration Compact Muon Solenoid, l’une des expériences à mener dans le LHC.
La principale carrière de la machine sera le boson de Higgs, une particule dont on pense qu’elle confère une masse à toutes les autres particules. Une telle découverte compléterait le modèle standard de la physique des particules, le cadre d’équations qui peuvent décrire toutes les particules fondamentales et toutes les forces fondamentales à l’exception de la gravité. Mais beaucoup espèrent que la machine géante verra quelque chose de plus. Un favori serait la super symétrie, un modèle qui prédit des partenaires super-lourds pour les particules fondamentales.
Les physiciens voient déjà des particules dans leurs détecteurs. Lors des essais de la matinée, le faisceau de protons a été arrêté à chaque section par précaution. Les détecteurs en aval de l’endroit où le faisceau s’est arrêté ont vu des pluies de particules créées par les protons lorsqu’ils ont heurté les barrières. « Ça a l’air spectaculaire », dit Virdee. Il reste encore beaucoup à faire avant que la chasse puisse commencer sérieusement. Le faisceau d’aujourd’hui circulait à 450 gigaélectronvolts, essentiellement l’énergie avec laquelle il a commencé.
Dans les semaines à venir, physiciens et ingénieurs vont porter l’énergie à 5 Téra électronvolts et déclencher des collisions. Ils seront également confrontés à la tâche difficile d’augmenter l’intensité du faisceau sans endommager l’accélérateur ou les détecteurs. Pendant ce temps, ces détecteurs s’efforcent de configurer leurs machines et de définir des « déclencheurs » – des filtres spéciaux conçus pour séparer les données expérimentales réelles du bruit de fond. Aujourd’hui, l’ambiance au CERN est à l’exaltation, déclare Verena Kain, l’une des ingénieurs travaillant sur l’accélérateur. « Je pense que tout le monde flotte en ce moment », dit-elle.
La sûreté du LHC
Le Grand collisionneur d’hadrons (LHC) pourra parvenir à une énergie jamais atteinte à ce jour dans un accélérateur de particules. Cependant, cette énergie restera inférieure à celle que produit couramment la Nature dans les collisions de rayons cosmiques. Des études sont menées depuis de nombreuses années pour répondre aux inquiétudes sur ce que pourraient engendrer des collisions de particules à des énergies aussi élevées. À la lumière de nouvelles données expérimentales et des connaissances théoriques actuelles, le LHC Safety Assessment Group (le LSAG – le Groupe d’évaluation de la sécurité des collisions du LHC) a réactualisé l’analyse menée en 2003 par le LHC Safety Study Group (Groupe d’étude sur la sécurité du LHC), un groupe de scientifiques indépendants.
Le LSAG reprend à son compte et prolonge les conclusions du rapport de 2003 : les collisions produites au LHC ne présentent aucun danger et il n’y a pas lieu de s’inquiéter. Le LHC ne fera en fait que reproduire des phénomènes qui se sont produits naturellement bien des fois depuis la naissance de la Terre et des autres corps célestes. Le Comité des directives scientifiques du CERN, un groupe de scientifiques extérieurs donnant des avis au Conseil du CERN, l’organe de tutelle de l’Organisation, a examiné et avalisé le rapport du LSAG. Les principaux éléments du rapport du LSAG sont récapitulés ci-dessous. Pour davantage de détails, il convient de consulter directement le document et les articles scientifiques spécialisés auxquels il se réfère.
Les rayons cosmiques
Le LHC, comme d’autres accélérateurs de particules, recréera dans des conditions de laboratoire maîtrisées les phénomènes naturels que sont les rayons cosmiques, ce qui permettra de les étudier plus en détail. Les rayons cosmiques sont des particules produites dans l’espace extra-atmosphérique, dont certaines atteignent des énergies très supérieures à celle du LHC. L’énergie de ces rayons et la fréquence avec laquelle ils atteignent l’atmosphère terrestre font l’objet de mesures expérimentales depuis 70 ans. 
Les trous noirs microscopiques
Des trous noirs se forment dans la Nature lorsque certaines étoiles, beaucoup plus volumineuses que le Soleil, s’effondrent sur elles-mêmes à la fin de leur vie. Elles concentrent une énorme quantité de matière en un très petit espace. Les conjectures sur la création d’éventuels trous noirs microscopiques au LHC se réfèrent aux particules produites lors de collisions entre deux protons possédant chacun une énergie comparable à celle d’un moustique en plein vol. Les trous noirs de l’espace sont beaucoup plus lourds que tout ce qui pourrait être produit au LHC. Les propriétés bien établies de la gravité, décrites par la relativité d’Einstein, excluent que des trous noirs microscopiques puissent être produits au LHC. Quelques théories de type spéculatif prédisent toutefois la production de telles particules au LHC. Toutes ces théories prévoient que de telles particules se désintégreraient aussitôt. Ainsi, ces trous noirs n’auraient pas le temps d’amorcer l’accrétion de matière et resteraient sans effets macroscopiques.
De plus, bien que l’apparition de trous noirs microscopiques stables ne soit pas prévue théoriquement, l’étude des conséquences de leur production par des rayons cosmiques montre leur caractère inoffensif. Les collisions qui interviendront au LHC et celles qui interviennent entre des rayons cosmiques et des corps célestes tels que la Terre diffèrent par le fait que les nouvelles particules produites lors des collisions LHC tendront à se déplacer plus lentement que celles que font naître les rayons cosmiques. Des trous noirs stables pourraient être soit chargés électriquement, soit neutres. S’ils étaient chargés, ils interagiraient avec la matière ordinaire et seraient arrêtés en traversant le globe terrestre, et cela qu’ils proviennent des rayons cosmiques ou du LHC. Le fait que la Terre existe encore exclut la possibilité que les rayons cosmiques ou le LHC puissent produire des micro-trous noirs chargés dangereux. Si des trous noirs microscopiques stables étaient dépourvus de charge électrique, leurs interactions avec la Terre seraient très faibles. 
Les «strangelets»
On appelle «strangelet» un hypothétique bloc microscopique de « matière étrange », contenant à parts presque égales les particules appelées quarks up, down et étranges. D’après la plupart des travaux théoriques, la matière étrange devrait se muer en matière ordinaire en l’espace d’un millième de millionième de seconde. Mais les strangelets pourraient-il se combiner avec de la matière ordinaire pour la transformer en matière étrange ? La question a été posée pour la première fois avant le lancement du Collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC), en l’an 2000 aux États-Unis. Une étude menée à l’époque a établi qu’il n’y avait pas lieu de s’inquiéter et le RHIC fonctionne maintenant depuis huit ans sans qu’aucun strangelet n’ait été déniché. Le LHC accélérera parfois des faisceaux de noyaux lourds, tout comme le RHIC. 
Les bulles de vide
Selon certaines conjectures, l’Univers ne se trouverait pas dans sa configuration la plus stable et des perturbations causées par le LHC pourraient le faire basculer dans un état plus stable, appelé « bulle de vide » où nous ne pourrions pas exister. Si le LHC peut produire cet effet, les rayons cosmiques le peuvent aussi. Comme aucune de ces bulles de vide n’a été produite dans l’univers visible, elles ne seront pas produites au LHC.
Les monopôles magnétiques
Les monopôles magnétiques sont des particules hypothétiques possédant une charge magnétique unique, soit nord, soit sud. Selon certaines théories, s’ils existaient, les monopôles magnétiques pourraient entraîner la désintégration des protons. Selon ces mêmes théories, ces monopôles seraient toutefois trop lourds pour être produits au LHC. Par ailleurs, si les monopôles magnétiques étaient suffisamment légers pour apparaître au LHC, les rayons cosmiques qui viennent heurté l’atmosphère terrestre en produiraient déjà et la Terre ferait très efficacement obstacle à leur course et les piégerait. Le fait que la Terre et d’autres corps célestes continuent d’exister exclut donc la possibilité que de dangereux monopôles magnétiques mangeurs de protons puissent être assez légers pour être produits au LHC.
Études et évaluations
Des études relatives à la sécurité des collisions à haute énergie à l’intérieur d’accélérateurs de particules ont été menées en Europe et aux États-Unis, par des physiciens qui ne sont pas impliqués dans les expériences du LHC. Leurs analyses ont été évaluées par des experts, qui ont confirmé que les collisions de particules dans les accélérateurs sont sûres. »Le CERN a également mandaté un groupe de physiciens des particules, eux aussi non impliqués dans les expériences du LHC, pour répondre à toutes les spéculations sur les collisions au LHC.
https://www.history.com/this-day-in-history/cern-large-hadron-launches
https://home.cern/fr/science/accelerators/large-hadron-collider/safety-lhc
https://home.cern/fr/science/accelerators/large-hadron-collider