Peu de collisions, mais de grandes attentes

Publié par Adrien le 23/09/2016 à 00:00
Source: Stefania Pandolfi - Copyright CERN
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En général, l'objectif du LHC est d'atteindre une luminosité maximale (en d'autres termes le plus de collisions possible). Cette semaine, toutefois, le LHC oublie ce mot d'ordre pour réaliser une exploitation spéciale à très faible luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit...), destinée aux expériences TOTEM et ATLAS/ALFA.


Nicola Turini, porte-parole adjoint de TOTEM, devant l'un des "pots romains" de l'expérience, dans le tunnel du LHC. (Photo: Maximilien Brice/CERN)

Cette exploitation doit permettre aux scientifiques d'étudier un type d'interaction particulier, appelé " diffusion élastique ". La diffusion élastique (Une diffusion élastique (ou collision élastique) est une interaction au cours de laquelle la...) est le processus qui a lieu lorsque deux protons restent intacts après leur rencontre dans le détecteur ; ils n'entrent pas en collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de...), ne créent donc pas de nouvelles particules, et se contentent de changer légèrement de direction. Lors de l'exploitation normale du LHC, cette interaction n'est pas observable (Dans le formalisme de la mécanique quantique, une opération de mesure (c'est-à-dire...), car il est plus probable que les protons entrent en collision et créent de nouvelles particules.

Ces interactions élastiques sont précieuses pour les scientifiques, car elles leur donnent la possibilité d'étudier la structure interne des protons, et de déterminer quelle partie du proton est effectivement responsable de ce type d'interaction. Nous savons en effet que les protons sont des particules composites, formées de trois quarks (deux quarks u et un quark d) " collés " ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) par des gluons. Mais nous ne connaissons pas la disposition exacte de ces composants, et ne savons pas non plus lesquels jouent effectivement un rôle lorsque deux protons rebondissent l'un sur l'autre lors de la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de...) élastique.

Ce type d'étude est également utile pour comprendre la dynamique des rayons cosmiques, des particules de haute énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) issues de l'extérieur du système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le...) qui, lorsqu'elles se rapprochent de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) de la Terre, se heurtent à notre atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) et produisent ainsi une pluie de particules secondaires.

TOTEM et ATLAS/ALFA exploitent des détecteurs situés de part et d'autre de deux grands détecteurs du LHC : CMS pour TOTEM et ATLAS pour ATLAS/ALFA. Ces deux expériences particulières étudient les protons issus du processus de diffusion élastique, qui arrivent donc suivant des trajectoires légèrement modifiées par rapport à leur trajectoire initiale (dans ce que l'on appelle " la région des petits angles ").


Une partie de l'équipement de l'expérience ATLAS/ALFA au point 1 du LHC. (Photo: Ronaldus Suykerbuyk)

L'un des objectifs de physique de TOTEM est d'obtenir des informations sur la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un...) que deux protons passent complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou...) l'un à travers l'autre sans interférer. Cela peut paraître étrange si l'on imagine les protons comme des boules de billard, mais il faut au contraire essayer de se les représenter comme deux grandes " galaxies ", composées de minuscules particules en mouvement, lancées à grande vitesse (On distingue :) l'une contre l'autre : il y a une probabilité définie que les deux " galaxies " passent l'une à travers l'autre sans que les particules internes interagissent de façon notable.

L'expérience ALFA (Absolute luminosity for ATLAS) a pour mission de fournir une estimation indépendante de la luminosité du LHC en mesurant la diffusion élastique proton-proton dans les petits angles.
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