Redémarrage du LHC: 3,5 TeV, c'est un bon début !

Les pessimistes verront dans ce chiffre de 3,5 TeV (l'énergie à laquelle le LHC va redémarrer (voir notre news)), le verre à moitié vide. Un avis que ne partagent assurément pas les milliers des physiciens qui travaillent pour les expériences LHC et sont toujours aussi enthousiastes à l'idée d'être les premiers à observer ce qu'il advient de la matière dans des conditions qui restent exceptionnelles.


On pourrait penser qu'exploiter à 3,5 TeV une machine conçue pour fonctionner à 7 TeV est aussi frustrant que conduire une Ferrari sur une route où la vitesse est limitée à 60 km/h. Mais les physiciens des expériences LHC, eux, voient le verre à moitié plein et travaillent d'arrache-pied pour déterminer comment exploiter au mieux cette énergie intermédiaire. Pouvoir tester leurs détecteurs dans des conditions moins extrêmes est pour eux rassurant. "Jusqu'alors, CMS a fonctionné avec des rayons cosmiques. Après le démarrage, la première chose à faire sera de vérifier une nouvelle fois les performances du détecteur, cette fois-ci avec des données sur les collisions et des particules provenant du cœur du détecteur et non plus traversant de haut en bas comme dans le cas des rayons cosmiques", explique Jim Virdee, porte-parole de CMS.

L'énergie de démarrage est tout de même 3,5 fois supérieure à celle du Tévatron, l'accélérateur le plus puissant du monde à ce jour, exploité au Laboratoire Fermi (États-Unis). "Cette énergie est suffisamment élevée pour que le LHC puisse produire des échantillons intéressants de quarks top - le quark le plus lourd et le seul encore jamais observé en Europe", explique Fabiola Gianotti, porte-parole d'ATLAS. Les événements dus à la production de quarks tops contenant un grand nombre de "signatures" expérimentales (électrons, muons, jets, jets issus de quarks b, énergie manquante), l'observation de cette production montrera que les détecteurs, les procédures d'étalonnage et les outils de reconstruction fonctionnent correctement. Nous serons alors prêts à entrer dans la phase des découvertes, au rang desquelles pourrait même figurer, à cette énergie, la supersymétrie", poursuit-elle.

Le détecteur ALICE est optimisé pour les collisions d'ions plomb (la deuxième partie du programme scientifique du LHC, qui débutera vers la fin de la période initiale d'exploitation, en 2010). "En fait, l'énergie des collisions proton-proton équivalente à des faisceaux d'ions à pleine énergie est d'environ 5,5 TeV. L'expérimentation avec des protons à 7 TeV (3,5 TeV par faisceau) est donc mieux adaptée pour une comparaison avec les collisions d'ions plomb que la pleine énergie de 14 TeV. "Tant pour le programme d'expérimentation avec des protons qu'avec des ions lourds, démarrer avec une énergie plus basse sera très utile", explique Jurgen Schukraft, porte-parole de l'expérience.

LHCb est le plus spécialisé des quatre grands détecteurs. À la quête d'une nouvelle physique, il observera les interactions entre de nouvelles particules et les quarks b. "Nous recherchons de manière indirecte de nouvelles particules, aussi notre expérience est-elle moins sensible à l'énergie de collision du LHC", indique Andrei Golutvin, porte-parole de LHCb. L'essentiel pour nous est d'avoir une exploitation stable à une luminosité raisonnable. 3,5 TeV nous suffisent pour mesurer avec une précision inégalée certaines désintégrations rares des quarks beauté. La moindre disparité avec les valeurs attendues nous aiguillerait vers une nouvelle physique."

Selon le calendrier actuel, le LHC va monter prudemment en énergie pour atteindre environ 5 TeV par faisceau en 2010, puis progressivement pousser la luminosité en augmentant le nombre de protons par paquet et le nombre de paquets. "Nous soutenons totalement ce plan, où les décisions seront prises au vu de l'expérience acquise", indique Jim Virdee. Même si l'exploration poussée du 'territoire du Higgs' prendra plus de temps que prévu, nous pourrions avoir la chance d'observer des indices de l'existence de la supersymétrie ou d'autres dimensions, si ces phénomènes se produisent dans la Nature à ces énergies."

Le saviez-vous ?

Qu'est-ce qu'un TeV ?

1 TeV équivaut à 10^12 électronvolts. L'électronvolt est une unité commode pour mesurer l'énergie car les quantités d'énergie étudiées par les physiciens des particules sont très petites. Dans le cas du LHC par exemple, l'énergie totale dégagée par une collision est de 14 TeV, ce qui en fait l'accélérateur de particules le plus puissant du monde. Pourtant, si l'on convertit cette quantité en joules, l'unité de mesure de l'énergie du Système international, on obtient seulement 22,4 x 10^–7 joules.

Il s'agit d'une très petite quantité d'énergie si on la compare, par exemple, à l'énergie dégagée par la chute d'une hauteur de 1 m d'un objet pesant 1 kg, soit 9,8 joules.


Qu'est-ce que la luminosité ?

La luminosité permet de mesurer l'efficacité avec laquelle un accélérateur de particules produit des collisions. Elle détermine le taux de production de ces collisions. Dans un collisionneur, les particules sont stockées dans une suite de paquets qui forment un faisceau. Chaque paquet fait à peu près la taille d'un grain de riz et contient plusieurs milliards de particules. Repoussant les frontières de la technologie, les physiciens des accélérateurs accroissent la luminosité en augmentant le nombre de particules dans chaque paquet, en augmentant le nombre de paquets entrant en collision chaque seconde et en comprimant les paquets pour qu'ils soient le plus petit possible au niveau du point de collision. (Extrait de Symmetry Magazine, traduction CERN).