Large Hadron Collider - Définition et Explications

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Introduction

Tunnel du LHC avec tube contenant les électroaimants supraconducteurs.
Situation du LHC

Le Large Hadron Collider (Le Large Hadron Collider (LHC, ou Grand collisionneur de hadrons en français) est un...) (LHC, ou Grand collisionneur de hadrons en français) est un accélérateur de particules (Les accélérateurs de particules sont des instruments qui utilisent des champs...) mis en fonctionnement le 10 septembre 2008 et inauguré officiellement le 21 octobre 2008 au CERN. Situé à la frontière (Une frontière est une ligne imaginaire séparant deux territoires, en particulier deux...) franco-suisse, c'est le plus puissant accélérateur de particules au monde (Le mot monde peut désigner :) construit à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...), dépassant en termes d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) le Tevatron aux États-Unis. Il est même présenté comme le plus grand dispositif expérimental jamais construit pour valider des théories physiques.

Le LHC a été construit dans le tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de...) circulaire (26,659 km de circonférence) de son prédécesseur, le collisionneur LEP (Large Electron Positron). À la différence de ce dernier, ce sont des protons — de la famille des hadrons — qui sont accélérés pour produire des collisions, en lieu et place des électrons ou des positrons pour le LEP.

Ces protons seront accélérés jusqu'à une énergie de 7 TeV, soit près de 7 500 fois leur énergie de masse (En 1905, Albert Einstein postule que la masse est une des formes que peut prendre l'énergie. Tout...). L'énergie totale de deux protons incidents sera ainsi de 14 TeV. Le LHC sera également utilisé pour accélérer des ions lourds comme le plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et...) avec une énergie totale de collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de...) de 1 150 TeV pour le noyau dans son ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) soit un peu plus de 2,75 TeV par nucléon (Le terme nucléon désigne de façon générique les composants du noyau atomique, i.e. les protons...) qu'il contient.

Six détecteurs, dont quatre de très grande taille, sont installés sur cet accélérateur, à savoir ATLAS, CMS, TOTEM, LHCb, ALICE et LHCf ().

Un diagramme de Feynman (Un diagramme de Feynman est une représentation symbolique permettant de faire des calculs en...) montrant une voie possible de génération d'un boson de Higgs (Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l'existence a été...) au LHC. Ici deux quarks émettent des bosons W ou Z qui se combinent pour former un boson (Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés...) de Higgs neutre.

Objectifs

Les physiciens espèrent apporter des éléments de réponse à plusieurs questions concernant la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants...) et la cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système...) à l’aide de ces détecteurs :

  • Le modèle standard décrit de façon remarquablement précise la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) des particules. Il prédit l'existence d'une particule, appelée boson de Higgs, dont la détection est un des objectifs prioritaires du LHC car il permettrait de tester la validité de certaines théories (telle que la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) des cordes).
  • De nombreux arguments théoriques privilégient l'existence de ce que l'on appelle la supersymétrie (Note : Pour profiter au mieux de cet article, le lecteur devrait avoir de bonnes notions sur...), qui prédit que chaque type de particule connue possède un alter-ego appelé superpartenaire. La mise en évidence de la supersymétrie est le second enjeu du LHC.
  • De très nombreux modèles de supersymétrie existent. Si la supersymétrie est détectée, le LHC sera en mesure de faire le tri entre les modèles viables.
  • Les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) cosmologiques indiquent qu'une grande partie (96 %) de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) est sous forme de constituants inconnus en laboratoire. L'un de ces constituants, appelé, faute de mieux le connaître, la "matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre), traduction de l’anglais...)", pourrait être mis en évidence au LHC.
  • Des modèles de physique des hautes énergies, notamment la théorie des cordes (La théorie des cordes est l'une des voies envisagées pour régler une des questions...), prédisent l'existence de dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...) supplémentaires en sus des trois dimensions d'espace que nous connaissons. Certaines collisions réalisées au LHC pourraient indirectement les mettre en évidence, notamment par la formation de trous noirs microscopiques.
  • Il semble probable que matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) et antimatière (L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière...) existaient en quantités égales lors du Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a...). Par la suite, un phénomène très mal connu a vraisemblablement généré un léger surplus de matière sur l'antimatière (ce phénomène est appelé baryogénèse). Matière et antimatière se sont ensuite annihilées en quantités strictement égales, ne laissant au final que l'infime surplus de matière. Le LHC pourrait être en mesure de mieux expliquer ce processus.
  • Les noyaux atomiques sont constitués de protons et de neutrons, chacun étant composé d'entités plus élémentaires appelées quarks. Les quarks n'existent aujourd'hui pas isolément, mais uniquement par groupes de 2 ou 3 particules (3 dans le cas des neutrons et des protons). Cette propriété est appelée confinement des quarks. Selon toute vraisemblance, à très haute température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...), les quarks peuvent exister isolément. Le LHC tentera de mettre en évidence cette « transition de déconfinement », et les propriétés de ce nouvel état de la matière (Bien que le concept de phase soit simple, il est difficile de le définir précisément. Une bonne...) appelé plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées...) quark-gluon.
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