Le CERN a pour vocation la physique fondamentale, la découverte des constituants et des lois de l Univers.

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1 Le CERN, l Organisation européenne pour la recherche nucléaire, est l un des plus grands et des plus prestigieux laboratoires scientifiques du monde. Fondé en 1954, le CERN est situé de part et d autre de la frontière franco-suisse, près de Genève. Le CERN a pour vocation la physique fondamentale, la découverte des constituants et des lois de l Univers. Aujourd hui, notre compréhension de la matière va au-delà du noyau, et le principal domaine de recherche du CERN est la physique des particules, à savoir l'étude des composants fondamentaux de la matière ainsi que des forces auxquelles ils sont soumis. En étudiant ce qui se passe lorsque ces particules entrent en collision, les physiciens appréhendent les lois de la Nature. Les instruments qu utilise le CERN sont des accélérateurs et des détecteurs de particules. Les accélérateurs portent des faisceaux de particules à des énergies élevées pour les faire entrer en collision avec d'autres faisceaux ou avec des cibles fixes. Les détecteurs, eux, observent et enregistrent le résultat de ces collisions. 1

2 Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) est un gigantesque instrument scientifique situé près de Genève, à cheval sur la frontière franco-suisse, à environ 100 mètres sous terre. C est un accélérateur de particules, avec lequel les physiciens vont étudier les plus petites particules connues : les composants fondamentaux de la matière. Le LHC, l accélérateur de particules le plus grand et le plus puissant du monde, est le dernier maillon du complexe d accélérateurs du CERN. Il consiste en un anneau de 27 km de circonférence formé d aimants supraconducteurs et de structures accélératrices qui augmentent l énergie des particules qui y circulent. Intérieur du tunnel du LHC 2

3 Deux faisceaux de particules subatomiques de la famille des «hadrons» (des protons ou des ions de plomb) circulent en sens inverse à l intérieur de l accélérateur circulaire, emmagasinant de l énergie à chaque tour. Les faisceaux circulent en sens opposé, dans des tubes distincts placés sous un vide très poussé (ultravide). Ils sont guidés le long de l anneau de l accélérateur par un puissant champ magnétique, généré par des électroaimants supraconducteurs (c està-dire conduisant l électricité sans résistance ni perte d énergie). Pour cela, les aimants doivent être refroidis à -271 C Coupe d un «Dipôle LHC» Les 2 tubes faisceaux où les particules circulent en sens opposé sont entourés d un aimant dipolaire permettant de courber la trajectoire. Modèle d un aimant dipolaire supraconducteur 3

4 Une fois dans le LHC, les protons circuleront pendant vingt minutes avant d atteindre l énergie et la vitesse maximales. Juste avant la collision, un autre type d aimant est utilisé pour coller les particules les unes aux autres, de façon à augmenter les probabilités d une collision. En effet, les probabilités de collision de 2 particules est très petite. En faisant entrer en collision frontale les deux faisceaux à une vitesse proche de celle de la lumière et à de très hautes énergies, le LHC va recréer les conditions qui existaient juste après le Big Bang. Des équipes de physiciens du monde entier analysent les particules issues de ces collisions en utilisant des détecteurs spéciaux. Intérieur du détecteur Atlas Les expériences du LHC vont tenter de répondre à des questions fondamentales : Comment les particules acquièrent-elles leur masse? De quoi sont constitués les 96% de l Univers invisible? Pourquoi la Nature préfère-t-elle la matière au détriment de l antimatière? Comment la matière a-t-elle évolué au tout début de l existence de l Univers? 4

5 Les protons sont produits à partir d atomes d hydrogène dont on extrait les électrons. Les protons commencent leur parcours dans l accélérateur linéaire (LINAC), puis sont injectés tour à tour dans le Synchrotron injecteur du PS (PS Booster - PSB), le Synchrotron à Protons (PS) et le Supersynchrotron à protons (SPS), avant d arriver au Grand collisionneur de hadrons (LHC). Une fois dans le LHC, les protons circuleront pendant vingt minutes avant d atteindre l énergie et la vitesse maximales. 5

6 I) ALICE (A Large Ion Collider Experiment) : Pour l expérience ALICE, le LHC fera entrer en collision des ions plomb afin de recréer en laboratoire les conditions qui régnaient juste après le Big Bang. Les données obtenues permettront d étudier l évolution de la matière de la naissance de l Univers à nos jours. Les collisions qui se produiront dans le LHC généreront des températures de plus de fois supérieures à celles qui règnent au centre du Soleil. Les physiciens espèrent ainsi que les protons et les neutrons «fondront», libérant les quarks de l emprise des gluons et créant un état de la matière appelé plasma de quarks et de gluons. Cet état a probablement existé juste après le Big Bang, lorsque l'univers était encore extrêmement chaud. Les particules que l on trouve aujourd hui en abondance dans l Univers les protons et les neutrons» se seraient formées dans ce plasma. Détecteur ALICE 6

7 II) ATLAS : ATLAS est l un des deux détecteurs polyvalents du LHC. Il explore un large éventail de domaines de la physique, de la recherche du boson de Higgs à celle d autres dimensions, en passant par la quête des particules qui pourraient constituer la matière noire. Détecteur ATLAS ATLAS enregistre des séries de mesures sur les particules créées dans des collisions, déterminant leur trajectoire, leur énergie et leur identité. ATLAS est le plus grand détecteur jamais construit. III) CMS : Compact Muon Solenoid (Solénoïde compact pour muons) L expérience CMS utilise un détecteur polyvalent pour explorer un large éventail de domaines de la physique, de la recherche du boson de Higgs à celle d autres dimensions, en passant par la quête des particules qui pourraient constituer la matière noire. Bien qu elle poursuive les mêmes buts scientifiques que l expérience ATLAS, la collaboration CMS a opté pour d autres solutions techniques et un système magnétique de conception différente. Le détecteur CMS 7

8 IV) LHCb (Large Hadron Collider beauty) : L expérience LHCb cherche à comprendre pourquoi nous vivons dans un Univers qui semble être constitué entièrement de matière, sans aucune présence d antimatière. L expérience explorera les différences entre matière et antimatière en étudiant un type de particule appelée «quark beauté» ou «quark b». Le LHC recréera les instants justes après le Big Bang, pendant lesquels les paires de quarks b et d antiquarks b auraient été produites. Le détecteur LHCb V) TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement) : L expérience TOTEM étudie des particules à très petits angles, une partie de la physique inaccessible aux expériences polyvalentes. Entre autres recherches, TOTEM va par exemple mesurer la taille des protons et évaluer précisément la luminosité du LHC. Bien que les deux expériences soient indépendantes, TOTEM complètera les résultats obtenus par le détecteur CMS ainsi que par les autres expériences du LHC. VI) LHCf (Large Hadron Collider forward) : L expérience LHCf utilise les particules à petits angles créées à l intérieur du LHC pour simuler des rayons cosmiques en conditions de laboratoire. Les rayons cosmiques sont des particules chargées provenant de l espace interstellaire et qui bombardent constamment l atmosphère terrestre. Arrivées dans la haute atmosphère, ces particules énergétiques percutent des noyaux d atomes, ce qui produit une cascade de particules au sol. 8

9 Les collisions dans le LHC produisent des cascades similaires, ce qui pourrait aider les physiciens à étalonner les détecteurs des gigantesques expériences sur les rayons cosmiques (certaines peuvent couvrir des milliers de kilomètres) ainsi qu à interpréter leurs résultats. Vue d ensemble des principales expériences du LHC 9