Lancement du LHC : une gigantesque machine à voyager dans le temps

N° 45 – octobre 2008

Un événement pour les physiciens : le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules jamais conçu, le Grand collisionneur de hadrons (LHC - Large Hadron Collider) a été mis en service le 10 septembre 2008, sur le site de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN), près de Genève. Sa mission : tenter de comprendre la formation de l’univers et d’améliorer nos connaissances des composants fondamentaux de la matière, de l’espace et du temps. La France est très fortement engagée dans le projet. De nombreuses équipes du CNRS (Centre national de la recherche scientifique) et du CEA (Commissariat à l’énergie atomique) sont depuis longtemps aux avant-postes de la recherche en physique des particules, que ce soit au CERN ou auprès d’autres établissements dans le monde. L’inauguration officielle de ce géant aura lieu à Genève le 21 octobre.

Le lancement de ce colossal instrument scientifique, situé sur la frontière franco-suisse, à 100 mètres sous les Alpes, va éclairer d’un jour nouveau notre compréhension de la nature, de l’infiniment petit – au sein même de l’atome - à l’infiniment grand de l’univers. D’une circonférence de 27 km, le Grand collisionneur de hadrons a coûté près de quatre milliards d’euros. Il est capable de produire suffisamment d’énergie pour déstructurer la matière et détecter ainsi les particules ultimes. Des protons (ou des ions) de très haute énergie, circulant dans deux faisceaux en sens inverse, sont accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière, soit près de 300 000 km/s, et s’entrechoquent ; quarante millions de collisions ont lieu chaque seconde. En donnant à des centaines de milliards de particules des vitesses et des énergies extrêmes, les scientifiques nourrissent l’espoir de retrouver des conditions analogues à celles qui existaient une fraction de seconde après le Big Bang, il y a plus de treize milliards d’années.

La réalisation de l’ensemble du dispositif a duré plusieurs années et a bénéficié de l’engagement de milliers de chercheurs venus du monde entier. « Le CNRS, à travers son Institut national de physique des particules (IN2P3), en lien avec les universités et avec le CEA, porte la contribution française. En tant que membre du CERN, le principal laboratoire de physique fondamentale du monde, la France participe à hauteur de 16 % au projet de l’organisation, dans le cadre de sa contribution exceptionnelle », souligne Michel Spiro, directeur de l’Institut national de physique nucléaire et de physique des particules du CNRS.

Le projet du LHC et des quatre expériences qui lui sont associées remonte aux années 1980. Dès le début des travaux, les physiciens français ont collaboré avec ceux de tous les autres pays participants sur la conception des expériences ALICE, ATLAS, CMS et LHCb, installées aux quatre points de collision du LHC. Pour chacune de ces expériences, des dispositifs technologiques spécifiques ont été réalisés. Il s’agissait en effet de concevoir des systèmes d’acquisition de données ultrarapides, capables de repérer des millions de particules par seconde. Les chercheurs du CNRS et du CEA ont également participé à la fabrication des accélérateurs et des instruments sous tous leurs aspects (informatique, électronique, mécanique). Ils se sont tout particulièrement investis dans les domaines de la supraconductivité et de la cryogénie de pointe.

« La dimension du projet est internationale, mais le succès est avant tout européen. La France et l’Allemagne sont les principaux pays contributeurs, suivis par le Royaume-Uni et l’Italie. Les Etats-Unis, le Japon, la Russie ou l’Inde, se sont aussi particulièrement investis. D’autres nations que tout oppose culturellement, comme le Pakistan, Israël, l’Iran, le Maroc ou l’Afrique du Sud, ont également participé à cette opération », ajoute Michel Spiro.

Que veulent tester les physiciens ?

Leurs défis ne sont pas des moindres : prouver l’existence du boson de Higgs, élucider la disparition de l’antimatière, approcher le modèle standard (théorie qui décrit la structure ultime de la matière)… La plus impressionnante des expériences est ATLAS : le détecteur mesure près de 46 mètres de long et 25 mètres de diamètre ! L’autre grande expérience est CMS : plus petit qu’ATLAS, il est aussi beaucoup plus lourd (11.000 tonnes contre 7.000 tonnes). Didier Lacour, chercheur au laboratoire de physique nucléaire et hautes énergies du CNRS, qui a travaillé sur ATLAS indique que « ATLAS et CMS ont pour objectifs d’identifier toutes les particules issues des interactions et de prouver l’existence d’un ou plusieurs bosons de Higgs. Le rôle du boson de Higgs (particule élémentaire prévue par le modèle standard), s’il existe, est de donner une masse à toutes les particules élémentaires ». Jusqu’à présent, aucun accélérateur n’a été assez sensible pour le détecter. « Ces expériences sont capables de traiter autant d’informations que tous les réseaux européens de communication actuels », observe Michel Spiro.

Les deux autres expériences, ALICE et LHCb, se concentrent sur des processus très spécifiques. Au début du Big Bang, matière et antimatière étaient en quantités égales, mais aujourd’hui, l’antimatière semble être très rare. « LHCb permettra de mieux comprendre pourquoi l’univers est constitué de matière plutôt que d’antimatière », remarque Michel Spiro.

Quelles seront les retombées technologiques ?

La recherche en physique des particules peut bénéficier à la collectivité par des transferts technologiques notamment dans les domaines de la médecine, des laboratoires ou des industries, mais aussi dans les secteurs des électro-aimants à champs intenses, de la cryogénie à l’hélium superfluide et de l’intégration de ces techniques de pointe dans un dispositif. Il ne faut pas oublier que le web est né au CERN.

Le public pourra découvrir le LHC dans la nef du Grand Palais, à Paris, du 14 au 16 novembre 2008, dans le cadre de la Ville européenne des sciences, organisée pendant la Présidence française de l’Union européenne par le ministère de l’Enseignement supérieur et de la Recherche, à l’occasion de la fête de la Science. Des scientifiques du CNRS et du CEA répondront à toutes les questions que l’on se pose sur l’instrument scientifique international le plus complexe jamais réalisé.

Annik Bianchini

Sites Internet

www.cnrs.fr
www.cea.fr
www.cern.ch

Dernière modification : 29/04/2010

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