Généralités
Qu'est le LHC ?
Le LHC (Large Hadron Collider) ou grand collisionneur de hadrons, est un accélérateur de particules, actuellement en fonctionnement à Genève. Construit dans les anciens tunnels du LEP (Large Electron Positron collider), anneau de 27 km de circonférence, cet accélérateur a été conçu pour atteindre des énergies de 14 TeV (Tera électron-volt 1 TeV = 1 000 milliards d'eV), soit donc des énergies bien supérieures au Fermilab (le Tevatron : seulement 1 TeV).
1 eV est l'énergie acquise par un électron, accéléré sous une différence de potentiel de 1 volt.
Qu'est-ce qu'un accélérateur de particules ?
Un accélérateur de particules, comme son nom l'indique a pour fonction d'accélérer les composants les plus élémentaires de la matière.
Tout corps est fait de molécules (qui ont une taille de quelques nanomètres : un milliardième du mètre). Les molécules sont faites d'atomes (dix fois plus petits). Leur agencement dans une combinaison infinie donne la variété des corps que l'on peut trouver sur terre.
Les atomes, qui sont décomposables en entités plus petites : électrons et noyaux (qui sont décomposables en protons et neutrons et eux-mêmes en quarks), sont chargés électriquement.
Dans les accélérateurs de particules, nous exploitons cette propriété, ce qui permet d'accélérer des particules chargées à des vitesses très proches de celle de la lumière. Plus une particule a une vitesse élevée, plus cette particule pourra générer des particules lourdes et éphémères. C'est ce qui est recherché dans les accélérateurs.
Les différents types d'accélérateurs
Il existe plusieurs types d'accélérateurs de particules (dont le plus trivial est un accélérateur linéaire dont on ne parlera pas ici).
Le Cyclotron
Le cyclotron est l'accélérateur le plus simple, composé de deux électro-aimants en forme de D, ceux-ci génèrent un champ magnétique permettant de dévier les particules électriques.
Schéma d'un cyclotron
Entre les deux D, il y a un petit espace, soumis à une forte différence de potentiel électrique. Les particules acquièrent de la vitesse dans cette portion. Puisqu'il faut le même temps pour parcourir le cercle, il suffit d'une tension sinusoïdale, à la bonne fréquence pour accélérer les particules (fréquence dépendant de la masse de la particule et bien sûr de l'intensité du champ magnétique).
Le synchro cyclotron
Cependant, à de très grandes vitesses (2% de la vitesse de la lumière à peine), la masse subit une augmentation relativiste, c'est pourquoi la technologie du cyclotron doit être adaptée. Il faut compenser le changement de masse en changeant la fréquence de la tension, c'est le synchro cyclotron.
Le synchrotron du LHC : un cas à part
Le LHC exploite une technologie toute différente. En effet, les particules parcourent la même trajectoire (ceci est fait en adaptant en permanence le champ magnétique déflecteur), par ailleurs, le LHC comporte des aimants dipôlaires, quadripôlaires, octopolaires, permettant de refocaliser le faisceau afin de maintenir une certaine luminosité (puisque les évènements recherchés sont extrêmement rares, il faut multiplier les chances de collision).
C'est pourquoi les accélérateurs tels que le LHC sont en forme d'anneaux, avec des portions droites, permettant d'accélérer ces particules, et des portions courbes, où des électro-aimants supraconducteurs permettent de générer des champs magnétiques assez intenses pour dévier les faisceaux de particules.
Le LHC est en fait composé de 2 synchrotrons, faisant circuler des protons dans des anneaux en sens inverse. Ces anneaux se croisent en 8 points différents, sièges des expériences ATLAS, CMS, LHCb, ALICE, LHCf et TOTEM. De ce fait, le LHC est un collisionneur de particules.
Pourquoi cette taille ?
L'on se rend compte alors, que plus l'accélérateur est grand, moins il faudra de force pour dévier les particules (c'est un compromis entre l'intensité du champ magnétique que l'on sait faire aujourd'hui, et la taille du tunnel).
Par ailleurs, plus une particule est légère, plus elle perd d'énergie par rayonnement cyclotron (lorsqu'une particule électrique est déviée, celle-ci émet de la lumière et perd donc de l'énergie). C'est pourquoi le LHC a été conçu pour accélérer des protons.