Les enjeux du LHC (Large Hadron Collider)

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 (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron....) 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 (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) acquise par un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...), 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 (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...).
Tout corps est fait de molécules (qui ont une taille de quelques nanomètres: un milliardième du mètre). Les molécules sont faites d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) (dix fois plus petits). Leur agencement dans une combinaison (Une combinaison peut être :) infinie donne la variété des corps que l'on peut trouver sur terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...).

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 (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...). Plus une particule a une vitesse (On distingue :) 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 (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) 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 (Le potentiel électrique est l'une des grandeurs définissant l'état électrique d'un point de...). Les particules acquièrent de la vitesse dans cette portion. Puisqu'il faut le même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) pour parcourir le cercle (Un cercle est une courbe plane fermée constituée des points situés à égale...), il suffit d'une tension (La tension est une force d'extension.) sinusoïdale, à la bonne fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) pour accélérer les particules (fréquence dépendant de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) de la particule et bien sûr de l'intensité du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique).

Le synchro cyclotron

Cependant, à de très grandes vitesses (2% de la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour...) à peine), la masse subit une augmentation relativiste, c'est pourquoi la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) 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 mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...). En effet, les particules parcourent la même trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et...) (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 (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit...) (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 (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de...). 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 (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux...) de particules.

Pourquoi cette taille ?

L'on se rend compte alors, que plus l'accélérateur est grand, moins il faudra de force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) 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 (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) 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.
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