En quoi consiste le collisionneur de hadrons ? Pas de panique : le collisionneur de hadrons est sous le contrôle de scientifiques russes. Quand est née l’idée de créer un collisionneur ?

La nouvelle de l'expérience menée en Europe a ébranlé l'ordre public et s'est hissée en tête des sujets de discussion. Collisionneur de hadrons est apparu partout – à la télévision, dans la presse et sur Internet. Que pouvons-nous dire si les utilisateurs de LJ créent des communautés distinctes où des centaines de personnes bienveillantes ont déjà activement exprimé leurs opinions sur la nouvelle idée de la science. "Delo" vous propose 10 faits que vous ne pouvez pas ne pas connaître collisionneur de hadrons.

Une phrase scientifique mystérieuse cesse de l'être dès que l'on comprend le sens de chacun des mots. Hadrons– nom d'une classe de particules élémentaires. Collisionneur- un accélérateur spécial à l'aide duquel il est possible de transférer une énergie élevée aux particules élémentaires de matière et, en les accélérant à la vitesse la plus élevée, de reproduire leur collision les unes avec les autres.

2. Pourquoi tout le monde parle de lui ?

Selon des scientifiques du Centre européen de recherche nucléaire CERN, l'expérience permettra de reproduire en miniature l'explosion qui a abouti à la formation de l'Univers il y a des milliards d'années. Cependant, ce qui préoccupe le plus le public, ce sont les conséquences de la mini-explosion sur la planète si l’expérience échoue. Selon certains scientifiques, à la suite de la collision de particules élémentaires volant à des vitesses ultra-relativistes dans des directions opposées, des trous noirs microscopiques se formeront et d'autres particules dangereuses s'envoleront. Il ne sert à rien de s'appuyer sur un rayonnement spécial qui conduit à l'évaporation des trous noirs - il n'y a aucune preuve expérimentale de son efficacité. C’est pourquoi la méfiance à l’égard de telles innovations scientifiques, activement alimentée par des scientifiques sceptiques, naît.

3. Comment ça marche ?

Les particules élémentaires sont accélérées sur différentes orbites dans des directions opposées, après quoi elles sont placées sur une orbite. L'intérêt de ce dispositif complexe réside dans le fait que grâce à lui, les scientifiques ont la possibilité d'étudier les produits de collisions de particules élémentaires, enregistrés par des détecteurs spéciaux sous la forme d'appareils photo numériques d'une résolution de 150 mégapixels, capables de prendre 600 millions d'images par deuxième.

4. Quand est née l’idée de créer un collisionneur ?

L'idée de construire la machine est née en 1984, mais la construction du tunnel n'a commencé qu'en 2001. L’accélérateur est situé dans le même tunnel où se trouvait l’accélérateur précédent, le Grand collisionneur électron-positon. L'anneau de 26,7 kilomètres est posé à une profondeur d'une centaine de mètres sous terre en France et en Suisse. Le 10 septembre, le premier faisceau de protons a été lancé depuis l'accélérateur. Le deuxième faisceau sera lancé dans les prochains jours.

5. Combien a coûté la construction ?

Des centaines de scientifiques du monde entier, y compris russes, ont participé au développement du projet. Son coût est estimé à 10 milliards de dollars, dont les États-Unis ont investi 531 millions dans la construction du collisionneur de hadrons.

6. Quelle contribution l'Ukraine a-t-elle apportée à la création de l'accélérateur ?

Des scientifiques de l'Institut ukrainien de physique théorique ont participé directement à la construction du collisionneur de hadrons. Ils ont développé un système de suivi interne (ITS) spécifiquement pour la recherche. Elle est le cœur d'"Alice" - partie collisionneur, où un « big bang » miniature devrait se produire. Ce n’est évidemment pas la partie la moins importante de la voiture. L'Ukraine doit payer 200 000 hryvnia par an pour avoir le droit de participer au projet. C'est 500 à 1 000 fois moins que les contributions au projet d'autres pays.

7. Quand devrions-nous nous attendre à la fin du monde ?

La première expérience sur la collision de faisceaux de particules élémentaires est prévue le 21 octobre. D’ici là, les scientifiques envisagent d’accélérer les particules à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Selon la théorie de la relativité générale d’Einstein, les trous noirs ne nous menacent pas. Cependant, si les théories comportant des dimensions spatiales supplémentaires s’avèrent exactes, il ne nous reste plus beaucoup de temps pour résoudre tous nos problèmes sur la planète Terre.

8. Pourquoi les trous noirs font-ils peur ?

Trou noir- une région de l'espace-temps dont l'attraction gravitationnelle est si forte que même les objets se déplaçant à la vitesse de la lumière ne peuvent la quitter. L'existence des trous noirs est confirmée par les solutions des équations d'Einstein. Malgré le fait que beaucoup imaginent déjà comment le trou noir formé en Europe, en grandissant, engloutira la planète entière, il n'est pas nécessaire de tirer la sonnette d'alarme. Trous noirs, qui, selon certaines théories, peut apparaître lors du travail collisionneur, selon les mêmes théories, existeront pendant une période de temps si courte qu'ils n'auront tout simplement pas le temps de commencer le processus d'absorption de matière. Selon certains scientifiques, ils n'auront même pas le temps d'atteindre les parois du collisionneur.

9. Comment la recherche peut-elle être utile ?

Outre le fait que ces études constituent une autre réussite incroyable de la science qui permettra à l’humanité de connaître la composition des particules élémentaires, ce n’est pas là tout le gain pour lequel l’humanité a pris un tel risque. Peut-être que dans un avenir proche, vous et moi pourrons voir les dinosaures de nos propres yeux et discuter avec Napoléon des stratégies militaires les plus efficaces. Les scientifiques russes pensent que grâce à cette expérience, l’humanité sera capable de créer une machine à voyager dans le temps.

10. Comment donner l'impression d'être scientifiquement avisé avec le collisionneur de hadrons ?

Et enfin, si quelqu'un, armé d'une réponse à l'avance, vous demande ce qu'est un collisionneur de hadrons, nous vous proposons une réponse intéressante qui peut agréablement surprendre n'importe qui. Alors, attachez vos ceintures ! Le collisionneur de hadrons est un accélérateur de particules chargées conçu pour accélérer les protons et les ions lourds dans les faisceaux en collision. Construit au centre de recherche du Conseil européen pour la recherche nucléaire, il s'agit d'un tunnel de 27 kilomètres creusé à 100 mètres de profondeur. Parce que les protons sont chargés électriquement, un proton ultrarelativiste produit un nuage de photons presque réels volant à proximité du proton. Ce flux de photons devient encore plus fort dans le régime de collision nucléaire, en raison de la charge électrique importante du noyau. Ils peuvent entrer en collision soit avec un proton venant en sens inverse, générant des collisions photons-hadrons typiques, soit entre eux. Les scientifiques craignent qu'à la suite de l'expérience, des « tunnels » spatio-temporels se forment dans l'espace, qui constituent une caractéristique typologique de l'espace-temps. Grâce à l'expérience, l'existence de la supersymétrie peut également être prouvée, ce qui deviendra ainsi une confirmation indirecte de la vérité de la théorie des supercordes.

Je vais continuer mon histoire sur la visite de la journée portes ouvertes au CERN.

Partie 3. Centre informatique.

Dans cette partie, je parlerai de l'endroit où est stocké et traité le produit du travail du CERN - les résultats des expériences. Nous parlerons d'un centre informatique, même s'il serait probablement plus correct de l'appeler un centre de données. Mais j'aborderai d'abord un peu les questions d'informatique et de stockage de données au CERN. Chaque année, le Large Hadron Collider produit à lui seul tellement de données que si elles étaient gravées sur un CD, cela constituerait une pile de 20 kilomètres de haut. En effet, le collisionneur entre en collision 30 millions de fois par seconde et chaque collision produit environ 20 événements, chacun produisant une grande quantité d'informations dans le détecteur. Bien entendu, ces informations sont d'abord traitées dans le détecteur lui-même, puis sont transmises au centre informatique local et ensuite seulement transmises au centre principal de stockage et de traitement des données. Cependant, il est nécessaire de traiter environ des pétaoctets de données chaque jour. Il faut ajouter à cela que ces données doivent non seulement être stockées mais également distribuées entre les centres de recherche du monde entier et, en outre, prendre en charge environ 4 000 utilisateurs du réseau WiFi au CERN même. Il convient d'ajouter qu'il existe en Hongrie un centre auxiliaire de stockage et de traitement des données, avec lequel il existe une liaison de 100 gigabits. Parallèlement, 35 000 kilomètres de câbles optiques sont posés à l'intérieur du CERN.
Cependant, le centre informatique n’a pas toujours été aussi puissant. La photographie montre comment le matériel utilisé a évolué au fil du temps.

Il y a maintenant une transition des mainframes vers une grille de PC classiques. Actuellement, le centre dispose de 90 000 cœurs de processeur répartis sur 10 000 serveurs fonctionnant 24 heures sur 24, 7 jours sur 7. En moyenne, 250 000 tâches de traitement de données s'exécutent simultanément sur cette grille. Ce centre informatique est à la pointe de la technologie moderne et fait souvent avancer l'informatique et l'informatique pour résoudre les problèmes nécessaires au stockage et au traitement d'aussi grands volumes de données. Il suffit de mentionner que dans un bâtiment situé à proximité du centre informatique, Tim Berners-Lee a inventé le World Wide Web (dites-le à ces idiots alternativement doués qui, en surfant sur Internet, disent que la science fondamentale ne sert à rien).

Mais revenons au problème du stockage des données. La photographie montre qu'à l'époque antédiluvienne, les données étaient auparavant stockées sur des disques magnétiques (oui, oui, je me souviens de ces disques de 29 mégaoctets sur l'ordinateur de l'UE).

Pour voir comment ça se passe aujourd'hui, je me rends dans le bâtiment où se trouve le centre informatique.

Étonnamment, il n’y a pas beaucoup de monde et j’entre assez rapidement. Ils nous montrent un court métrage puis nous conduisent vers une porte verrouillée. Notre guide ouvre la porte et nous nous retrouvons dans une pièce assez grande où se trouvent des armoires avec des bandes magnétiques sur lesquelles sont enregistrées des informations.

La majeure partie de la pièce est occupée par ces mêmes armoires.

Ils stockent environ 100 pétaoctets d’informations (l’équivalent de 700 ans de vidéo Full HD) dans 480 millions de fichiers. Il est intéressant de noter qu’environ 10 000 physiciens répartis dans 160 centres informatiques dans le monde ont accès à ces informations. Ces informations contiennent toutes les données expérimentales depuis les années 70 du siècle dernier. Si vous regardez attentivement, vous pouvez voir comment ces bandes magnétiques se trouvent à l'intérieur des armoires.

Certains racks contiennent des modules processeur.

Sur la table se trouve un petit affichage de ce qui est utilisé pour le stockage des données.

Ce centre de données consomme 3,5 mégawatts d'énergie électrique et dispose de son propre générateur diesel en cas de panne de courant. Il faut également parler du système de refroidissement. Il est situé à l’extérieur du bâtiment et chasse l’air froid sous le faux plancher. Le refroidissement par eau n'est utilisé que sur un petit nombre de serveurs.

Si vous regardez à l'intérieur de l'armoire, vous pouvez voir comment se produisent l'échantillonnage et le chargement automatiques des bandes magnétiques.

En fait, cette salle n'est pas la seule où se trouve du matériel informatique, mais le fait que les visiteurs aient été autorisés à entrer au moins ici évoque déjà le respect des organisateurs. J'ai pris une photo de ce qui était exposé sur la table.

Après cela, un autre groupe de visiteurs est apparu et on nous a demandé de partir. Je prends une dernière photo et quitte le centre de données.

Dans la partie suivante, je parlerai des ateliers où sont créés et assemblés des équipements uniques, qui sont utilisés dans des expériences physiques.

Il existe de nombreuses rumeurs sur cet appareil mystérieux, beaucoup prétendent qu'il détruira la Terre, créant un trou noir artificiel et mettant fin à l'existence de l'humanité. En réalité, cet appareil peut amener l’humanité à un tout autre niveau, grâce aux recherches menées par les scientifiques. Dans ce sujet, j'ai essayé de rassembler toutes les informations nécessaires pour vous donner une idée de ce qu'est le Grand collisionneur de hadrons (LHC).

Ainsi, ce sujet contient tout ce que vous devez savoir sur le collisionneur de hadrons. Le 30 mars 2010, un événement historique s'est produit au CERN (Organisation européenne pour la recherche nucléaire) : après plusieurs tentatives infructueuses et de nombreuses améliorations, la création de la plus grande machine de destruction d'atomes au monde a été achevée. Des tests préliminaires impliquant des collisions de protons à des vitesses relativement faibles ont été réalisés en 2009 sans problème majeur. Le décor était planté pour qu'une expérience extraordinaire soit menée au printemps 2010. Le principal modèle expérimental du LHC repose sur la collision de deux faisceaux de protons qui entrent en collision à vitesse maximale. Cette puissante collision détruit les protons, créant des énergies extraordinaires et de nouvelles particules élémentaires. Ces nouvelles particules atomiques sont extrêmement instables et ne peuvent exister que pendant une fraction de seconde. L'appareil analytique inclus dans le LHC peut enregistrer ces événements et les analyser en détail. Les scientifiques tentent ainsi de simuler l’émergence de trous noirs.

Le 30 mars 2010, deux faisceaux de protons ont été tirés dans le tunnel de 27 kilomètres du Grand collisionneur de hadrons dans des directions opposées. Ils ont été accélérés jusqu'à la vitesse de la lumière, à laquelle la collision s'est produite. Une énergie record de 7 TeV (7 téraélectronvolts) a été enregistrée. L’ampleur de cette énergie bat des records et a des significations très importantes. Faisons maintenant connaissance avec les composants les plus importants du LHC - les capteurs et détecteurs qui enregistrent ce qui se passe dans les fractions pendant ces fractions de secondes pendant lesquelles les faisceaux de protons entrent en collision. Trois capteurs ont joué un rôle central lors de la collision du 30 mars 2010. Ce sont quelques-unes des parties les plus importantes du collisionneur, jouant un rôle clé lors des expériences complexes du CERN. Le diagramme montre l'emplacement des quatre expériences principales (ALICE, ATLAS, CMS et LHCb), qui sont des projets clés du LHC. À une profondeur de 50 à 150 mètres sous terre, d'immenses grottes ont été creusées spécialement pour les capteurs-détecteurs géants.

Commençons par un projet appelé ALICE (acronyme de Large Experimental Ion Collider). Il s'agit de l'une des six installations expérimentales construites au LHC. ALICE est configurée pour étudier les collisions d'ions lourds. La température et la densité énergétique de la matière nucléaire formée dans ce cas sont suffisantes pour la naissance du plasma de gluons. La photo montre le détecteur ALICE et l'ensemble de ses 18 modules


Le système de suivi interne (ITS) d'ALICE se compose de six couches cylindriques de capteurs en silicium qui entourent le point d'impact et mesurent les propriétés et les positions précises des particules émergentes. De cette façon, les particules contenant un quark lourd peuvent être facilement détectées

L'une des principales expériences du LHC est également ATLAS. L'expérience est réalisée sur un détecteur spécial conçu pour étudier les collisions entre protons. ATLAS mesure 44 mètres de long, 25 mètres de diamètre et pèse environ 7 000 tonnes. Au centre du tunnel, des faisceaux de protons entrent en collision, ce qui en fait le capteur le plus grand et le plus complexe de ce type jamais construit. Le capteur enregistre tout ce qui se passe pendant et après la collision de protons. L'objectif du projet est de détecter des particules qui n'ont jamais été enregistrées ou détectées auparavant dans notre univers.

Ouverture et confirmation le boson de Higgs- la priorité absolue du Grand Collisionneur de Hadrons, car cette découverte confirmerait le Modèle Standard de l'émergence des particules atomiques élémentaires et de la matière standard. Lorsque le collisionneur fonctionnera à pleine puissance, l’intégrité du modèle standard sera détruite. Les particules élémentaires dont nous ne comprenons que partiellement les propriétés ne pourront pas conserver leur intégrité structurelle. Le modèle standard a une limite d’énergie supérieure de 1 TeV, au-dessus de laquelle une particule se désintègre. À une énergie de 7 TeV, des particules d’une masse dix fois supérieure à celles actuellement connues pourraient être créées. Certes, ils seront très variables, mais ATLAS est conçu pour les détecter dans ces fractions de seconde avant qu'ils ne « disparaissent ».

Cette photo est considérée comme la meilleure de toutes les photographies du Grand collisionneur de hadrons :

Solénoïde à muons compact ( Solénoïde à muons compact) est l'un des deux immenses détecteurs de particules universels du LHC. Quelque 3 600 scientifiques issus de 183 laboratoires et universités de 38 pays soutiennent CMS, qui a construit et exploite le détecteur. Le solénoïde est situé sous terre à Cessy en France, près de la frontière avec la Suisse. Le schéma montre le périphérique CMS, dont nous vous parlerons plus en détail.

La couche la plus interne est le tracker à base de silicium. Le tracker est le plus grand capteur au silicium au monde. Il dispose de 205 m2 de capteurs en silicium (soit à peu près la surface d'un court de tennis) comprenant 76 millions de canaux. Le tracker permet de mesurer des traces de particules chargées dans un champ électromagnétique

Au deuxième niveau se trouve un calorimètre électromagnétique. Le calorimètre à hadrons, situé au niveau suivant, mesure l'énergie des hadrons individuels produits dans chaque cas.

La couche suivante du Large Hadron Collider CMS est un énorme aimant. Le grand aimant solénoïde mesure 13 mètres de long et 6 mètres de diamètre. Il se compose de bobines refroidies en niobium et en titane. Cet énorme aimant solénoïde fonctionne à pleine puissance pour maximiser la durée de vie des particules.

Couche 5 - Détecteurs de muons et joug de retour. Le CMS est conçu pour étudier les différents types de physique qui pourraient être détectés lors des collisions énergétiques du LHC. Certaines de ces recherches visent à confirmer ou à améliorer les mesures des paramètres du modèle standard, tandis que de nombreuses autres visent à rechercher une nouvelle physique.

Très peu d’informations sont disponibles sur l’expérience du 30 mars 2010, mais un fait est certain. Le CERN a déclaré qu'une explosion d'énergie sans précédent avait été enregistrée lors de la troisième tentative de lancement du collisionneur alors que des faisceaux de protons parcouraient le tunnel de 27 km avant d'entrer en collision à la vitesse de la lumière. Le niveau d'énergie record enregistré a été enregistré au maximum qu'il peut produire dans sa configuration actuelle - environ 7 TeV. C'est cette quantité d'énergie qui était caractéristique des premières secondes du Big Bang, qui a donné naissance à l'existence de notre univers. Au départ, ce niveau d'énergie n'était pas attendu, mais le résultat a dépassé toutes les attentes.

Le diagramme montre comment ALICE enregistre une libération d'énergie record de 7 TeV :

Cette expérience sera répétée des centaines de fois tout au long de l’année 2010. Pour vous faire comprendre à quel point ce processus est complexe, nous pouvons faire une analogie avec l’accélération des particules dans un collisionneur. En termes de complexité, cela équivaut, par exemple, à tirer des aiguilles depuis l'île de Terre-Neuve avec une précision si parfaite que ces aiguilles entrent en collision quelque part dans l'Atlantique, faisant le tour du globe entier. L'objectif principal est la découverte d'une particule élémentaire - le boson de Higgs, qui est à la base du modèle standard de la construction de l'univers.

Grâce au succès de toutes ces expériences, le monde des particules les plus lourdes à 400 GeV (ce qu'on appelle la matière noire) peut enfin être découvert et exploré.

À 100 mètres sous terre, à la frontière de la France et de la Suisse, se trouve un appareil capable de révéler les secrets de l'univers. Ou, selon certains, détruire toute vie sur Terre.

Quoi qu’il en soit, c’est la plus grande machine au monde et elle est utilisée pour étudier les plus petites particules de l’Univers. Il s’agit du Grand collisionneur de hadrons (et non d’Android) (LHC).

Brève description

Le LHC fait partie d'un projet dirigé par l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN). Le collisionneur fait partie du complexe d'accélérateurs du CERN près de Genève en Suisse et est utilisé pour accélérer des faisceaux de protons et d'ions à des vitesses proches de la vitesse de la lumière, écrasant les particules les unes contre les autres et enregistrant les événements qui en résultent. Les scientifiques espèrent que cela permettra d’en apprendre davantage sur l’origine de l’Univers et sa composition.

Qu'est-ce qu'un collisionneur (LHC) ? Il s’agit de l’accélérateur de particules le plus ambitieux et le plus puissant construit à ce jour. Des milliers de scientifiques de centaines de pays collaborent et rivalisent entre eux à la recherche de nouvelles découvertes. Pour collecter des données expérimentales, 6 sections sont situées le long de la circonférence du collisionneur.

Les découvertes faites grâce à lui pourraient être utiles dans le futur, mais ce n’est pas la raison de sa construction. L’objectif du Grand collisionneur de hadrons est d’élargir notre connaissance de l’Univers. Étant donné que le LHC coûte des milliards de dollars et nécessite la coopération de nombreux pays, le manque d’application pratique peut surprendre.

A quoi sert le collisionneur de hadrons ?

Pour tenter de comprendre notre Univers, son fonctionnement et sa structure réelle, les scientifiques ont proposé une théorie appelée modèle standard. Il tente d'identifier et d'expliquer les particules fondamentales qui font du monde ce qu'il est. Le modèle combine des éléments de la théorie de la relativité d'Einstein avec la théorie quantique. Il prend également en compte 3 des 4 forces fondamentales de l'Univers : les forces nucléaires fortes et faibles et l'électromagnétisme. La théorie ne concerne pas la 4ème force fondamentale : la gravité.

Le modèle standard a fait plusieurs prédictions sur l’univers qui sont cohérentes avec diverses expériences. Mais il y a d’autres aspects qui nécessitent une confirmation. L’un d’eux est une particule théorique appelée boson de Higgs.

Sa découverte répond aux questions sur la masse. Pourquoi la matière l'a-t-elle ? Les scientifiques ont identifié des particules sans masse, comme les neutrinos. Pourquoi certaines personnes l’ont et d’autres non ? Les physiciens ont proposé de nombreuses explications.

Le plus simple d’entre eux est le mécanisme de Higgs. Cette théorie affirme qu’il existe une particule et une force correspondante qui explique la présence de masse. Il n'avait jamais été observé auparavant, donc les événements créés par le LHC prouveraient soit l'existence du boson de Higgs, soit fourniraient de nouvelles informations.

Une autre question que se posent les scientifiques est liée à l’origine de l’Univers. Alors la matière et l’énergie ne faisaient qu’un. Après leur séparation, les particules de matière et d’antimatière se détruisent mutuellement. Si leur nombre était égal, il ne resterait plus rien.

Mais heureusement pour nous, il y avait plus de matière dans l’Univers. Les scientifiques espèrent observer de l’antimatière pendant le fonctionnement du LHC. Cela pourrait aider à comprendre la raison de la différence entre la quantité de matière et d’antimatière au début de l’univers.

Matière noire

Notre compréhension actuelle de l’univers suggère que seulement 4 % environ de la matière qui devrait exister est actuellement observable. Le mouvement des galaxies et autres corps célestes suggère qu’il existe beaucoup plus de matière visible.

Les scientifiques ont appelé cette matière vague matière noire. La matière observable et noire représente environ 25 %. Les 3/4 restants proviennent d’une hypothétique énergie sombre, qui contribue à l’expansion de l’Univers.

Les scientifiques espèrent que leurs expériences fourniront des preuves supplémentaires de l’existence de la matière noire et de l’énergie noire ou confirmeront une théorie alternative.

Mais ce n’est que la pointe de l’iceberg de la physique des particules. Il y a des choses encore plus exotiques et controversées qui doivent être révélées, et c'est à cela que sert le collisionneur.

Big Bang à petite échelle

En faisant entrer en collision des protons à des vitesses suffisamment élevées, le LHC les décompose en sous-particules atomiques plus petites. Ils sont très instables et ne durent qu’une fraction de seconde avant de se décomposer ou de se recombiner.

Selon la théorie du Big Bang, toute matière était initialement constituée d’eux. À mesure que l’Univers s’étendait et se refroidissait, ils se sont combinés en particules plus grosses telles que des protons et des neutrons.

Théories inhabituelles

Si les particules théoriques, l'antimatière et l'énergie noire, ne sont pas assez exotiques, certains scientifiques pensent que le LHC pourrait fournir la preuve de l'existence d'autres dimensions. Il est généralement admis que le monde est à quatre dimensions (espace et temps tridimensionnels). Mais les physiciens suggèrent qu’il pourrait y avoir d’autres dimensions que les humains ne peuvent pas percevoir. Par exemple, une version de la théorie des cordes nécessite au moins 11 dimensions.

Les partisans de cette théorie espèrent que le LHC fournira la preuve du modèle proposé de l'Univers. Selon eux, les éléments fondamentaux ne sont pas des particules, mais des cordes. Ils peuvent être ouverts ou fermés et vibrer comme des guitares. La différence de vibration rend les cordes différentes. Certains se manifestent sous forme d’électrons, tandis que d’autres se réalisent sous forme de neutrinos.

Qu'est-ce qu'un collisionneur en chiffres ?

Le LHC est une structure massive et puissante. Il est constitué de 8 secteurs dont chacun est un arc, délimité à chaque extrémité par une section appelée « insert ». La circonférence du collisionneur est de 27 km.

Les tubes accélérateurs et les chambres de collision sont situés à 100 mètres sous terre. L'accès à ceux-ci est assuré par un tunnel de service avec ascenseurs et escaliers situé en plusieurs points le long de la circonférence du LHC. Le CERN a également construit des bâtiments en surface dans lesquels les chercheurs peuvent collecter et analyser les données générées par les détecteurs du collisionneur.

Les aimants sont utilisés pour contrôler des faisceaux de protons se déplaçant à 99,99 % de la vitesse de la lumière. Ils sont énormes et pèsent plusieurs tonnes. Le LHC compte environ 9 600 aimants. Ils refroidissent jusqu'à 1,9K (-271,25 °C). C’est en dessous de la température de l’espace.

Les protons à l’intérieur du collisionneur traversent des tubes à ultra-vide. Ceci est nécessaire pour qu’il n’y ait aucune particule avec laquelle ils pourraient entrer en collision avant d’atteindre leur objectif. Une seule molécule de gaz peut faire échouer une expérience.

Il y a 6 zones autour de la circonférence du grand collisionneur où les ingénieurs peuvent mener leurs expériences. Ils peuvent être comparés aux microscopes équipés d’un appareil photo numérique. Certains de ces détecteurs sont énormes : ATLAS est un appareil de 45 m de long, 25 m de haut et pèse 7 tonnes.

Le LHC utilise environ 150 millions de capteurs qui collectent des données et les envoient au réseau informatique. Selon le CERN, la quantité d'informations obtenues lors des expériences est d'environ 700 Mo/s.

Évidemment, un tel collisionneur nécessite beaucoup d’énergie. Sa consommation électrique annuelle est d'environ 800 GWh. Il pourrait être beaucoup plus grand, mais l'installation n'est pas ouverte pendant les mois d'hiver. Selon le CERN, le coût de l'énergie est d'environ 19 millions d'euros.

Collision de protons

Le principe de la physique des collisionneurs est assez simple. Tout d'abord, deux faisceaux sont lancés : un dans le sens des aiguilles d'une montre et le second dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Les deux flux accélèrent jusqu’à la vitesse de la lumière. Ensuite, ils sont dirigés l'un vers l'autre et le résultat est observé.

L’équipement nécessaire pour atteindre cet objectif est beaucoup plus complexe. Le LHC fait partie du complexe du CERN. Avant qu’une particule n’entre dans le LHC, elle passe déjà par une série d’étapes.

Premièrement, pour produire des protons, les scientifiques doivent dépouiller les atomes d’hydrogène de leurs électrons. Les particules sont ensuite envoyées vers le LINAC 2 qui les lance dans l'accélérateur PS Booster. Ces machines utilisent un champ électrique alternatif pour accélérer les particules. Les champs créés par des aimants géants aident à retenir les faisceaux.

Lorsque le faisceau atteint le niveau d’énergie souhaité, le PS Booster le dirige vers le supersynchrotron SPS. Le flux est encore plus accéléré et est divisé en 2 808 faisceaux de 1,1 x 1 011 protons. Le SPS injecte des faisceaux dans le LHC dans le sens des aiguilles d’une montre et dans le sens inverse.

À l’intérieur du Grand collisionneur de hadrons, les protons continuent d’accélérer pendant 20 minutes. À vitesse maximale, ils effectuent 11 245 fois le tour du LHC par seconde. Les faisceaux convergent vers l'un des 6 détecteurs. Dans ce cas, 600 millions de collisions se produisent par seconde.

Lorsque 2 protons entrent en collision, ils sont divisés en particules plus petites, dont les quarks et les gluons. Les quarks sont très instables et se désintègrent en une fraction de seconde. Les détecteurs collectent des informations en suivant le chemin des particules subatomiques et les envoient à un réseau informatique.

Tous les protons n'entrent pas en collision. Les autres continuent de se déplacer vers la section d'éjection du faisceau, où ils sont absorbés par le graphite.

Détecteurs

Le long de la circonférence du collisionneur se trouvent 6 sections dans lesquelles des données sont collectées et des expériences sont menées. Parmi ceux-ci, 4 sont des détecteurs principaux et 2 sont plus petits.

Le plus grand est ATLAS. Ses dimensions sont de 46 x 25 x 25 m. Le tracker détecte et analyse l'impulsion des particules traversant ATLAS. Autour de lui se trouve un calorimètre qui mesure l’énergie des particules en les absorbant. Les scientifiques peuvent observer leur trajectoire et extrapoler des informations à leur sujet.

Le détecteur ATLAS dispose également d'un spectromètre à muons. Les muons sont des particules chargées négativement, 200 fois plus lourdes que les électrons. Ils sont les seuls capables de traverser le calorimètre sans s'arrêter. Le spectromètre mesure l'impulsion de chaque muon à l'aide de capteurs de particules chargées. Ces capteurs peuvent détecter les fluctuations du champ magnétique d'ATLAS.

Le Compact Muon Solenoid (CMS) est un détecteur à usage général qui détecte et mesure les sous-particules libérées lors de collisions. L'appareil est situé à l'intérieur d'un aimant solénoïde géant capable de créer un champ magnétique près de 100 000 fois supérieur au champ magnétique terrestre.

Le détecteur ALICE est conçu pour étudier les collisions d’ions fer. Les chercheurs espèrent ainsi recréer des conditions similaires à celles qui se sont produites immédiatement après le Big Bang. Ils s’attendent à voir les ions se transformer en un mélange de quarks et de gluons. Le composant principal d'ALICE est la caméra TPC, utilisée pour étudier et reconstruire les trajectoires des particules.

Le LHC est utilisé pour rechercher des preuves de l'existence de l'antimatière. Pour ce faire, il recherche une particule appelée quark beauté. La rangée de sous-détecteurs entourant le point d’impact mesure 20 mètres de long. Ils peuvent capturer des particules de quarks beauté très instables et à décomposition rapide.

L'expérience TOTEM est réalisée dans une zone dotée d'un des petits détecteurs. Il mesure la taille des protons et la luminosité du LHC, indiquant la précision de la création de collisions.

L'expérience LHC simule les rayons cosmiques dans un environnement contrôlé. Son objectif est de contribuer au développement d’études à grande échelle sur les rayons cosmiques réels.

Sur chaque site de détection se trouve une équipe de chercheurs, comptant de plusieurs dizaines à plus d'un millier de scientifiques.

Traitement de l'information

Il n’est pas surprenant qu’un tel collisionneur génère un énorme flux de données. Les 15 000 000 Go produits chaque année par les détecteurs du LHC constituent un défi de taille pour les chercheurs. Sa solution est un réseau informatique composé d’ordinateurs, chacun étant capable d’analyser indépendamment une donnée. Une fois l’analyse terminée, l’ordinateur envoie les résultats à l’ordinateur central et en reçoit une nouvelle partie.

Les scientifiques du CERN ont décidé de se concentrer sur l'utilisation d'équipements relativement peu coûteux pour effectuer leurs calculs. Au lieu d'acheter des serveurs et des processeurs avancés, on utilise du matériel existant qui peut bien fonctionner sur le réseau. À l'aide d'un logiciel spécial, un réseau d'ordinateurs pourra stocker et analyser les données de chaque expérience.

Un danger pour la planète ?

Certains craignent qu’un collisionneur aussi puissant puisse constituer une menace pour la vie sur Terre, notamment en participant à la formation de trous noirs, de « matière étrange », de monopoles magnétiques, de rayonnements, etc.

Les scientifiques réfutent systématiquement ces affirmations. La formation d’un trou noir est impossible car il existe une grande différence entre les protons et les étoiles. Une « matière étrange » aurait pu se former il y a longtemps sous l’influence des rayons cosmiques, et le danger de ces formations hypothétiques est grandement exagéré.

Le collisionneur est extrêmement sûr : il est séparé de la surface par une couche de sol de 100 mètres et il est interdit au personnel de se trouver sous terre pendant les expériences.

1.1. Physique des collisionneurs

Les collisionneurs (accélérateurs avec faisceaux en collision) sont des installations dans lesquelles se produisent des collisions accélérées de faisceaux de particules chargées.
Dans les accélérateurs conventionnels, un faisceau de particules accélérées à haute énergie interagit avec les particules d'une cible stationnaire. Dans ce cas, en raison de la loi de conservation de la quantité de mouvement totale, la majeure partie de l'énergie des particules incidentes est dépensée pour maintenir le mouvement du centre de masse du système, c'est-à-dire pour transmettre de l'énergie cinétique aux particules - produits de désintégration. Seule une petite partie de celle-ci détermine l'énergie de collision utile et efficace - l'énergie d'interaction des particules dans le système de leur centre de masse (centre d'inertie), qui peut être dépensée, par exemple, pour la naissance de nouvelles particules.
Avec une cible stationnaire, une particule cible avec une masse au repos m 0 dans le référentiel du laboratoire a une énergie au repos E 0 = m 0 c 2 au centre de masse, et une autre particule incidente, avec la même masse au repos m 0, se déplace dans ce cadre avec une vitesse relativiste et a une énergie incomparablement plus grande qu'une particule au repos (E >> E 0). L'énergie dans le système du centre de masse (centre d'inertie) est déterminée par la formule. Plus E est grand, plus sa part dans l’énergie effective d’interaction des particules est faible.
Si des particules se déplaçant avec des impulsions égales mais de direction opposée entrent en collision, alors leur impulsion totale est nulle. Dans ce cas, le référentiel du laboratoire coïncide avec le système du centre de masse des particules et l'énergie effective de collision est égale à la somme des énergies des particules en collision. Pour les particules légères de même masse et énergie E, E cm = 2E, cette énergie cinétique peut être entièrement utilisée pour l'interaction. .
Dans le système du centre de masse, les particules se déplacent les unes vers les autres avec des impulsions et des énergies égales E, l'impulsion totale des produits de réaction est nulle. Toute l'énergie initiale est dépensée pour la naissance des particules qui nous intéressent, pour pénétrer dans la structure à petite échelle de la matière.
Lorsque des particules entrent en collision, leur énergie est transférée aux plus petites « gouttelettes » de matière, qui « explosent », et on observe la diffusion des particules résultantes. Les chercheurs apprennent la structure de la matière à petite échelle grâce aux répartitions spécifiques de ces particules ou aux nouvelles particules qui naissent (dont la plupart ont une durée de vie très courte).
L'avantage du processus d'interaction dans les faisceaux en collision est particulièrement important pour les particules légères - électrons, positrons (en raison de leur faible énergie au repos). Les accélérateurs à cible fixe et les accélérateurs utilisant des faisceaux en collision sont considérés comme équivalents si, avec les mêmes particules en collision, ils ont les mêmes énergies utiles dépensées directement sur la réaction d'interaction au centre de masse. Formule reliant les énergies cinétiques des particules dans des accélérateurs équivalents à cible stationnaire E n et dans des faisceaux en collision E cm. dans le cas ultrarelativiste a la forme : E n = E 2 cm. /2E0. En utilisant ce rapport, il est possible de calculer l'énergie d'un accélérateur à cible fixe équivalent à un collisionneur.
Le calcul montre que pour obtenir l'énergie cinétique équivalente à l'énergie BEPC (LEP) égale à E cm = 0,209 TeV sans utiliser de faisceaux en collision, l'énergie de l'accélérateur devrait être E n = 4,274 × 10 4 TeV, et E n .. / E cm = 2 ·10 5). Les mêmes valeurs pour le collisionneur de hadrons LHC sont E n = 1,044 · 10 5 TeV et E n.. / E cm = 7500 (LEP et LHC sont les plus grands collisionneurs d'anneaux électron-positon et hadron construits). Il est clair que ce n'est qu'en utilisant un système de collision de faisceaux que nous pouvons obtenir des énergies efficaces très élevées.
Si des énergies plus faibles étaient utilisées, il serait possible de s'en sortir avec des accélérateurs traditionnels, mais la mise en œuvre du principe des collisions de particules permet de rendre l'installation nettement plus compacte.

1.2. Comparaison des collisionneurs en anneau et linéaires. Rayonnement synchrotron

Comme le montre le tableau. 1a, à l'exception du collisionneur SLAC (SLK, SLC), tous les collisionneurs construits étaient des collisionneurs en anneau. Les collisionneurs en anneaux sont presque toujours plus compacts que les collisionneurs linéaires. Il convient toutefois de noter que l’utilisation de trajectoires circulaires pour accélérer des particules lumineuses est limitée par le fort rayonnement synchrotron généré lors de leur rotation.
L'énergie du rayonnement synchrotron U pour une particule relativiste dépend de sa masse m 0 énergie E, rayon de trajectoire ρ et est déterminé par la formule :

(1.1)

En raison de la grande différence entre la masse au repos des électrons et des protons aux mêmes énergies et rayons de rotation, la puissance du rayonnement synchrotron d'un faisceau d'électrons sera 1013 fois supérieure à celle d'un faisceau de protons.
Dans le collisionneur BEPK (LEP), où le faisceau rotatif était caractérisé par les paramètres suivants :
E ≈ 100 GeV, ρ = 4 km, B = 0,75 T, la perte d'énergie par tour était de 2 GeV. Dans le cas des collisionneurs de protons, le coefficient 8,85×10 -5 dans la formule (1.1) doit être remplacé par 7,8×10 -18.
En raison des pertes importantes du synchrotron, des collisionneurs en anneau électron-positon avec des énergies au centre de masse supérieures à 208 BeV n'ont pas été créés. Néanmoins, les travaux ont envisagé la conception d'un collisionneur électron-positon situé dans un tunnel du même diamètre que le collisionneur BEPK (longueur d'anneau 22,8 km). Avec une luminosité de 10 32 cm -2 s -1, l'énergie de chaque faisceau devrait être de 400 GeV. Pour couvrir les pertes dues au rayonnement synchrotron, il faudrait dépenser 100 GV de puissance RF.
Actuellement, lorsqu'ils utilisent des électrons (positrons), les collisionneurs linéaires sont principalement considérés comme prometteurs dans la gamme du TeV. Dans le même temps, des collisionneurs de muons en anneau sont développés, où entrent en collision des particules élémentaires dont la masse dépasse largement la masse des électrons. On suppose que les premiers collisionneurs de muons auront une énergie dans le centre de masse de 0,1 à 3 TeV et une luminosité de (1 - 5)×10 34 cm -2 s -1 .

1.3. Paramètres de base des collisionneurs

La première caractéristique principale d'un collisionneur - l'énergie de ses faisceaux - est sélectionnée en fonction des problèmes de physique des particules élémentaires censés être résolus lors de sa création. Habituellement, l'éventail de ces tâches s'avère très large. Le tableau 2-1 fournit des données sur certaines des expériences qui sont ou seront menées sur un certain nombre de collisionneurs à haute énergie. De brèves informations sur les particules entrant en collision dans les collisionneurs et les problèmes résolus en physique des particules seront discutées dans la section suivante.
La luminosité du collisionneur est sa deuxième caractéristique la plus importante. À mesure que la luminosité augmente, le nombre de particules en collision augmente. La luminosité géométrique dépend de la fréquence (f) des collisions d'amas, du nombre de particules dans l'amas de chaque faisceau (n 1 et n 2) et de la section transversale de l'amas (S). Luminosité (L ) est déterminé par la formule :

Lorsque des particules entrent en collision, une interaction peut se produire ou non entre elles. Il est possible de déterminer uniquement la probabilité d'une issue particulière d'une collision. La probabilité d'interaction est déterminée par la valeur de la section efficace transversale de l'interaction σ, qui a la dimension de l'aire (cm 2) et est déterminée par la formule :

où N est le nombre de particules qui ont subi une interaction par unité de temps (collisions inélastiques). La valeur de σ est généralement exprimée en millibarns (1 mbarn = 10 -27 cm 2). Dans l'ouvrage et dans un certain nombre d'autres ouvrages, une formule est donnée qui détermine la valeur de la luminosité, qui prend en compte l'émittance du faisceau, la distribution gaussienne des électrons dans le paquet, ainsi que la valeur de la angle total de collision des paquets.
On utilise souvent la notion de luminosité intégrale (ou intégrale de luminosité), c'est-à-dire la luminosité multipliée par la durée de fonctionnement de l'accélérateur au cours d'une « année standard de l'accélérateur ». La durée d'une année standard est généralement comprise entre 10 6 et 10 7 secondes, ce qui équivaut approximativement à quatre mois. La luminosité intégrée est généralement exprimée en picobarns inverses (pbarn -1) ou en femtobarns inverses (fbarn -1).
Afin de savoir à quelle fréquence un certain processus se produira dans un collisionneur particulier, vous devez multiplier la section efficace du processus par la luminosité du collisionneur (N = σL). En raison de l’efficacité non idéale du détecteur, le nombre d’événements réellement enregistrés sera bien entendu moindre.
Ils ne s’efforcent pas toujours d’obtenir la luminosité la plus élevée possible. S'il y a beaucoup de particules dans chaque amas du collisionneur de hadrons, alors lorsqu'elles entrent en collision, plusieurs collisions proton-proton indépendantes se produiront simultanément. Le détecteur enregistrera simultanément les traces superposées de toutes ces collisions, ce qui compliquera l'analyse du processus d'interaction.
Étant donné que la section efficace des processus diminue avec le carré de l’énergie des particules, la luminosité des collisionneurs à haute énergie devrait être exceptionnellement élevée. Les valeurs de luminosité de certains collisionneurs construits sont données ci-dessus dans les tableaux 1-B et 2-B.

Tableau n° 2.1. Recherches menées sur certains collisionneurs

La valeur nominale du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, mis en service en 2009, est déterminée comme étant L = 10 34 cm -2 s -1 . Si nous supposons que la section efficace efficace de l'interaction au centre de masse dans le collisionneur LHC est σ = 80 mb, alors lorsque le LHC fonctionne à une énergie au centre de masse de 14 GeV, la valeur est N = 8. ×10 8 s - 1.
On suppose que la durée de fonctionnement du collisionneur sera d'environ 10 7 s par an et que sa luminosité intégrale sur l'année sera d'environ 10 41 cm -2. À σ = 80 mb, 8×10 15 événements peuvent se produire par an. La plupart de ces événements produiront plusieurs milliers de particules. Aucun système électronique ou informatique n'est capable de traiter un tel flux d'informations. Une luminosité aussi élevée est cependant nécessaire pour étudier des événements extrêmement rares présentant de petites sections efficaces, caractéristiques de la nouvelle physique. Avec une bonne électronique permettant une sélection fiable d'événements aux caractéristiques préalablement connues, il est possible d'obtenir des informations sur jusqu'à une centaine d'événements par an dans un processus à très faible section efficace. σ = 1 fb. C’est pour travailler sur de tels événements que la luminosité élevée du collisionneur est nécessaire.
La troisième caractéristique principale d’un collisionneur est le type de particules en collision. D'après les tableaux 1-B et 2-B ci-dessus, il ressort clairement que des collisionneurs électron-positon, proton-antiproton et électron-proton ont été construits et sont utilisés. Il est à noter que l'utilisation d'antiparticules n'est pas nécessaire, puisque la différence de signe de charge a peu d'effet sur les résultats des études physiques. La différence de signe de charge a un effet plus important sur la conception du collisionneur. Dans les collisionneurs en anneau, l'utilisation de particules et d'antiparticules leur permet de se déplacer à travers un canal (tuyau), comme cela se fait par exemple dans le Tevatron. collisionneur. Dans le même temps, seuls des protons ou des ions plomb de même signe entrent en collision dans le collisionneur LHC. Cela nécessitait cependant de guider les particules en collision à travers deux canaux différents.
Les collisionneurs linéaires électron-positon présentent certains avantages par rapport aux collisionneurs de hadrons en termes d'analyse des résultats obtenus lors des expériences. Dans le même temps, en raison du manque d’anneaux de stockage, il est plus difficile d’y obtenir une luminosité élevée.
Une comparaison de la nature des collisions dans les collisionneurs électron-positon et hadron est discutée dans les sections suivantes.

1.4. Brève introduction à la physique des particules

Actuellement, la base de la physique des particules élémentaires est le « Modèle standard » - la théorie de la mécanique quantique des champs locaux. Il examine les champs de chaque type de particule élémentaire (à l'exception du champ gravitationnel). Les oscillations de ces champs transfèrent l’énergie et l’élan d’un endroit à un autre dans l’espace. Selon la mécanique quantique, les ondes sont rassemblées en paquets, ou quanta, qui sont observés en laboratoire sous forme de particules élémentaires.
Dans le « Modèle Standard » (Tableau 3.1), les fermions sont les particules élémentaires qui composent la matière. Ils sont représentés par deux types de champs : les champs de leptons (lepton du grec « leptos » - lumière) et les champs de quarks (« quark » est une particule fondamentale dans les modèles standards). Les fermions sont divisés en trois générations. Chaque membre de la génération suivante a une masse supérieure à la particule correspondante de la précédente. Tous les atomes ordinaires contiennent des particules de première génération. Les deuxième et troisième générations de particules chargées ne sont pas présentes dans la matière ordinaire et ne sont observées que dans des conditions de très haute énergie.

Tableau n° 3.1. Modèle standard

Les quanta des champs de leptons sont les suivants : les électrons, les particules plus lourdes - les muons, les taons et les particules électriquement neutres appelées neutrinos.
Les quanta des champs de quarks sont les suivants : quarks up, down, charm, étrange, vrai et charm. Certains quarks sont liés entre eux à l’intérieur des protons et des neutrons qui constituent les noyaux des atomes ordinaires. Les éléments constitutifs du noyau : les protons et les neutrons sont également des fermions.
Les forces d'interaction entre les particules sont déterminées par les processus d'échange de photons, de particules W + , W - et Z 0, ainsi que de huit types de gluons (gluon).Les porteurs d'interactions sont appelés bosons de jauge.
Une interaction électromagnétique a lieu entre les particules chargées. Sous l’influence des forces électromagnétiques, les particules ne changent pas ; elles sont seulement attirées ou repoussées. Le vecteur d'interaction est le photon. La force électromagnétique retient les électrons dans les atomes et lie les atomes entre eux dans des molécules et des cristaux.
Les quarks sont sujets à de fortes interactions. Il les lie ensemble pour former des protons, des neutrons et d’autres particules combinées. La force forte affecte la liaison entre les protons et les neutrons dans un atome. Les porteurs de cette excitation sont les gluons. C'est l'interaction la plus forte dans la nature. C'est le type d'interaction prédominant en physique nucléaire des hautes énergies. L'interaction est limitée à de très courtes distances.
L'interaction faible se produit entre les quarks et les leptons. L'effet le plus connu de l'interaction faible est la modification des quarks, qui à sa manière. à son tour, provoque la désintégration du neutron en un proton, un électron et un anti-neutrino.
Les porteurs d'excitation sont les bosons W + , W - et Z 0 . L'interaction faible, qui se produit lors de la désintégration bêta des noyaux radioactifs, a une portée très courte.
La quatrième force d’interaction est la force de gravité. En théorie quantique, on suppose que le vecteur de l’interaction gravitationnelle est le graviton. Un graviton est une particule qui n'a pas de masse. Il a une rotation de 2.
L'interaction gravitationnelle est universelle. Toutes les particules y participent. Cette interaction est la plus faible. Il relie des parties du globe, unit le Soleil et les planètes dans le système solaire, relie les étoiles des galaxies et détermine les événements à grande échelle dans l'Univers.
. Le champ gravitationnel a été décrit par la théorie de la relativité générale d'Einstein. Dans la première moitié du XXe siècle, de nombreuses tentatives ont été faites pour créer une théorie unifiée des interactions fondamentales incluant la gravité. Cependant, aucun modèle totalement satisfaisant n’a encore été proposé. Cela est notamment dû au fait que la théorie de la relativité générale et les théories décrivant d'autres interactions sont de nature différente. La gravité est décrite par la courbure de l’espace-temps et, en ce sens, le champ gravitationnel est immatériel, tandis que les autres champs sont de la matière. Leur unification n'a pas encore été réalisée en raison des difficultés liées à la création d'une théorie quantique de la gravité. Actuellement, diverses approches sont utilisées pour unifier les interactions fondamentales : la théorie des cordes, la gravité quantique en boucles, mais aussi la théorie M.
Le modèle standard suppose l'existence d'un autre champ, pratiquement indissociable de l'espace vide et ne coïncide pas avec le champ gravitationnel. On l’appelle communément champ de Higgs. On pense que tout l’espace est rempli de ce champ et que toutes les particules fondamentales (leptons, quarks et bosons de jauge) acquièrent une masse à la suite d’une interaction avec le champ de Higgs.
Les quanta de ce champ sont les bosons de Higgs. Le boson de Higgs a été prédit théoriquement en 1964 par le physicien écossais P. Higgs.
Le boson de Higgs est la dernière particule du modèle standard qui n'a pas encore été trouvée.
Cette particule est si importante que le prix Nobel Leon Lederman l’a appelée la « particule divine ». On suppose qu'il existe quatre, voire cinq bosons de Higgs, qui sont des particules scalaires, c'est-à-dire avoir un spin nul. Cinq variétés du boson de Higgs avec des charges différentes (trois neutres, une positive et une négative) sont rapportées dans l'article.
On a longtemps supposé que la limite supérieure de la masse du boson de Higgs était inférieure à 1 TeV.
Cependant, en 2004, au collisionneur Tevatron, lors du traitement des données expérimentales obtenues en déterminant la masse du quark T, la valeur de la limite supérieure de la masse du boson de Higgs a été limitée à 251 GeV.
Des recherches sur la détection du boson de Higgs ont été et continuent d'être menées dans plusieurs autres collisionneurs. Un large éventail d'études visant à trouver le boson de Higgs ont été réalisées au collisionneur LEP avec une énergie au centre de masse de 208 GeV, mais n'ont pas abouti.
On s'attend à une confirmation expérimentale de la présence de bosons de Higgs et à leur affinement
les caractéristiques seront effectuées au collisionneur LHC.
Comme le montre le tableau. 2.1, plusieurs collisionneurs mènent des recherches sur un état de la matière appelé plasma quark-gluon, dans lequel les quarks et les gluons colorés, en tant que particules libres, forment un milieu continu appelé chromoplasme. La conductivité du chromoplasme est similaire à la conductivité électrique présente dans le plasma électron-ion. Selon les concepts modernes, le plasma quark-gluon se forme à des températures élevées et/ou à des densités élevées de matière hadronique. On suppose que dans des conditions naturelles, ce plasma existait dans les 10 à 5 premières secondes après le Big Bang. Ces conditions peuvent être présentes au centre des étoiles à neutrons. La transition vers l'état plasma quark-glucone peut se produire à une température correspondant à une énergie cinétique d'environ 200 MeV.
Les premiers résultats expérimentaux concernant le plasma quarks-gluons ont été obtenus en 1990 au CERN au Super Synchrontron à Protons, SPS. Puis en 2000, également au CERN, la découverte de ce « nouvel état de la matière » est annoncée. D'autres études ont été menées au collisionneur RHIC. On pense que la formation d’un plasma quark-gluon nécessite une énergie d’environ 3,5 TeV. En 2010, il a été rapporté que, selon des données préliminaires, la température du plasma était de 3,5 à 4 000 milliards de degrés Celsius. Les travaux ont été réalisés sur la collision des ions plomb et or au RHIC. Le collisionneur fonctionnait à une énergie dans le centre de masse d’environ 33 TeV.
En novembre 2010, les travaux sur les ions plomb et la production de plasma quark-gluon ont commencé au Grand collisionneur de hadrons (LHC). Au cours de la première semaine, un plasma quark-gluon avec des températures de plusieurs dizaines de milliards de degrés a été obtenu.
L’un des domaines importants de la physique des particules élémentaires est l’étude des problèmes de symétrie. Ainsi, aux collisionneurs PEP II et KEK-B, qui sont notamment des usines de mésons B, les questions de violation de la symétrie CP (C - symétrie de charge, transformation d'une particule en antiparticule) sont étudiées. P - symétrie spatiale, image miroir du système. Au début, les physiciens croyaient qu'en effectuant transformation symétrique de toute interaction entre particules, le résultat sera inchangé - la symétrie sera préservée. Cependant, des études expérimentales ont montré que lors d'interactions faibles, les symétries P et C sont rompues. L'étude des problèmes de rupture de symétrie au niveau des collisionneurs PEP II et KEK-B est efficace en raison de leur luminosité élevée.
Dans un futur proche, des études sur les problèmes de symétrie seront menées aux très hautes énergies du collisionneur LHC, ce qui permettra de mesurer un nombre beaucoup plus important de désintégrations de mésons B avec rupture de symétrie CP que dans les expériences précédentes. Le modèle standard sera soumis à un autre test approfondi, et une explication émergera quant à la raison pour laquelle la nature a préféré la matière à l'antimatière.
L’augmentation de l’énergie des particules accélérées a pour principal objectif de permettre d’étudier l’interaction des particules à des distances et dans des délais toujours plus courts. Il est possible d'étudier la structure interne de particules élémentaires de tailles extrêmement petites
Il n'y a aucune raison de croire que la théorie quantique des champs ne fonctionne pas à des échelles proportionnées à la longueur de Planck où les effets quantiques de la gravité commencent à apparaître et où la structure de la matière correspond à des distances de l'ordre de 10 -33 cm et à une masse de Planck m p ≈ ћc/G) 1/2 ≈ 1,2×10 19 GeV/c 2, c'est-à-dire énergie au centre de masse ≈10 19 GeV (ћ - constante de Dirac, c - vitesse de la lumière, G - constante gravitationnelle)
La plus petite échelle accessible des phénomènes étudiés dans la collision de particules d'impulsion p (énergie E = (p 2 c 2 + m 2 c 4) 1/2 est déterminée par la longueur d'onde l = h/p = hc/E.
Pour résoudre ce problème, des collisions de particules élémentaires dans des collisionneurs sont utilisées.
Des centaines d'expériences ont déjà permis de pénétrer dans la structure de la matière, caractérisée par des distances de 10 à 18 cm. Bien entendu, il n’est pas possible de créer des collisionneurs avec une énergie au centre de masse de ≈ 10 7 TeV pour atteindre des distances de 10 à 33 cm.

1.5. Comparaison des collisionneurs de hadrons et de leptons

Il est intéressant d’examiner certains des avantages et des inconvénients des collisionneurs de hadrons et d’électrons-positons.
Hadrons : les protons et les antiprotons sont des particules composées constituées de de trois quarks (deux quarks u avec une charge électrique de +2/3 et un quark d avec une charge de -1/3, qui sont maintenus ensemble par un champ de gluons (voir aussi tableaux 3.1 et ) Cependant, si un le proton vole à une vitesse très proche de la vitesse de la lumière, il s'avère être rempli principalement de gluons et il contient sensiblement moins de quarks et d'antiquarks. Les protons et les antiprotons dans de telles conditions se ressemblent presque, et il n'y a donc pas beaucoup de différence si les protons entrent en collision avec des protons ou les protons avec des antiprotons. Le champ de gluons cesse d'être une simple force de liaison et se matérialise sous la forme d'un flux de particules - les gluons - qui volent à côté des quarks. Un proton volant rapidement est constitué de gluons, des « nuages ​​» de quarks et même d'anti-quarks mélangés - densités de partons.
Lorsque deux protons entrent en collision frontale, un quark d'un proton entre en collision avec un quark du proton opposé, et les partons restants passent simplement à côté. Lorsqu’ils entrent en collision, les partons reçoivent un « coup » puissant qui les fait sortir de leurs protons parents. Cependant, le champ de gluons présente un confinement, phénomène consistant en l'impossibilité d'obtenir des quarks à l'état libre. Dans les expériences, seuls des agrégats de quarks constitués de deux mésons ou de trois quarks (baryons) sont observés. L'hadronisation se produit : l'énergie d'impact est dépensée pour la naissance de nombreux hadrons. Dans ce processus, les partons - « observateurs » participent déjà activement. Il est possible de bien calculer les processus avec des quarks ou des gluons individuels, mais il n'est pas encore possible de décrire avec précision l'hadronisation. En raison de l'hadronisation, une collision proton-proton est très différente d'une collision lepton (par exemple, un électron-positron). Processus d'analyse p - p + les collisions sont très complexes.
Le lien entre la théorie et l’expérience dans les collisions hadroniques n’est pas aussi direct que dans les collisions électron-positon. Dans les expériences sur les collisionneurs de hadrons, il est plus difficile de déterminer les propriétés des nouvelles particules.
Contrairement au proton, l’électron et le positron sont des particules élémentaires et l’énergie libérée lors de leurs collisions est déterminée avec une grande précision. Les collisionneurs électron-positon facilitent la détermination d’autres caractéristiques des particules découvertes.
Les collisionneurs de hadrons construits ont une énergie très élevée au centre de masse. Cependant, toute cette énergie ne peut pas être utilisée pour créer de nouvelles particules. Ainsi, pour le LHC, sur une énergie totale de 14 TeV, seule une énergie de 2 TeV est utilement utilisée. Dans le cas des accélérateurs d’électrons-positons, la quasi-totalité de l’énergie est utile. Ainsi, avec la même énergie au centre de masse, les collisionneurs électron-positon ont un avantage de 5 à 10 fois supérieur aux collisionneurs de hadrons.
Lors de la caractérisation des collisionneurs linéaires électron-positon, il convient de noter que le taux de répétition des collisions de paquets en collision est faible par rapport aux collisionneurs électron-positon en anneau. Il convient de noter encore une fois que le principal inconvénient des collisionneurs linéaires est que chaque paquet d'électrons et de positons n'est utilisé qu'une seule fois.
A proximité d’un flux dense de particules chargées, le champ électromagnétique excité par celles-ci est très puissant. Le rayonnement dans ce domaine entraîne d'importantes pertes d'énergie dues aux particules en collision et augmente le niveau de bruit. Pour l'affaiblir, les poutres sont étirées dans l'une des directions transversales.
En raison de la faible émissivité des faisceaux et de leur très forte focalisation, dans les collisionneurs linéaires, ils espèrent obtenir une luminosité au centre de masse égale à ((2-6) × 10 34 cm -2 s -1, non inférieure à la luminosité des collisionneurs en anneaux.

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INTRODUCTION

Les accélérateurs utilisant des faisceaux en collision sont appelés collisionneurs (du mot anglais to collide - collide). Ce sont les principaux outils pour l'étude expérimentale des processus de la physique des particules élémentaires dans la région des ultra-hautes énergies. La quantité d'énergie obtenue lors des collisions de faisceaux ne peut pas être atteinte dans les accélérateurs conventionnels avec une cible stationnaire.
Le développement et la construction d'installations à faisceaux de collision ont commencé en 1956 dans des laboratoires en Russie (URSS) et à l'étranger après la publication d'une proposition d'utilisation de collisionneurs par le physicien américain W. Kerst.
Dans les travaux de G.I. Budker contient une remarque selon laquelle l'idée d'utiliser des faisceaux en collision a été exprimée pour la première fois par Ya.B. Zeldovich (URSS), mais sur un ton pessimiste en raison de la faible densité de particules dans les faisceaux en collision.
Initialement, des collisionneurs électron-électron et électron-positon ont été créés (1956-1966). La proposition pour leur développement appartient à G.I. Budker (URSS). Les premiers collisionneurs ont été créés à l'Institut de physique nucléaire (URSS Russie), au Centre des accélérateurs linéaires de Stanford (États-Unis), au Laboratoire des accélérateurs linéaires de Frascati (Italie) et au Laboratoire d'Orsay (France). Un peu plus tard, des collisionneurs de hadrons (hadron - du mot grec « adros », signifiant « grand, massif »), y compris des collisionneurs d'ions, ont été lancés. Des collisionneurs à faisceaux proton-proton et proton-électron ont été créés au CERN (Suisse), en Allemagne et en Grande-Bretagne (voir Tableau 1a-B et Tableau 1b-B).
Le problème de l'augmentation de la luminosité des faisceaux en collision dans les collisionneurs en anneaux a été résolu grâce à l'accumulation de particules accélérées dans les anneaux de stockage. Dans les collisionneurs linéaires, une haute densité de faisceaux en interaction est fournie par des accélérateurs dotés de faisceaux à courant élevé, qui ont une faible émissivité et une faible propagation d'énergie, ainsi que par l'utilisation du rayonnement synchrotron dans les anneaux d'amortissement et le refroidissement par ionisation.
Le premier collisionneur électron-positon VEPP-2, fabriqué à l'INP. G.I. Budkera (Russie), était un ring. Un synchrotron sans fer a été utilisé comme accélérateur, dont le faisceau était injecté dans un anneau de stockage. Jusqu'à présent, le seul collisionneur linéaire électron-positon a été créé sur la base de l'accélérateur SLAC. Une augmentation de la luminosité est obtenue grâce à l'utilisation d'anneaux amortisseurs.
L'avènement des accélérateurs de particules chargées et des collisionneurs de haute énergie a permis de développer de nouveaux modèles théoriques de physique des particules élémentaires et de tester expérimentalement le « modèle standard ».
La recherche physique dans le domaine des particules élémentaires a nécessité une augmentation significative de l'énergie des collisions de leptons et de hadrons au centre de masse (jusqu'à 1 TeV ou plus). Depuis la fin des années 1980, la communauté scientifique mondiale s’est concentrée sur la construction de collisionneurs dans la gamme d’énergie du TeV. Actuellement, ces œuvres sont devenues internationales.
Les physiciens espèrent que les énergies extrêmement élevées aideront à répondre à certaines questions scientifiques fondamentales : comment les particules acquièrent-elles une masse ? Quelle est la structure de l’espace-temps ? Qu’est-ce qui crée l’énergie noire et la matière noire de l’espace ? . En particulier, on suppose que dans les collisionneurs, il deviendra possible d'effectuer des mesures précises des caractéristiques du boson de Higgs, responsable de l'émergence de la masse des particules élémentaires et de l'établissement de son champ. Ils permettront également d’étudier les questions de supersymétrie.

Tableau n° 1a-B. Liste des principaux collisionneurs construits

Les physiciens sont presque certains que des découvertes révolutionnaires utilisant des collisionneurs seront réalisées dans les dix à quinze prochaines années.
Le développement continu de nouveaux collisionneurs linéaires électron-positon, notamment de photons et de muons, se produit au moment où le Grand collisionneur de hadrons en anneau (LHC) commençait à fonctionner. Ce collisionneur résoudra principalement les problèmes mentionnés ci-dessus de la physique des particules élémentaires et les questions de l'univers.

Tableau n°1b-B. Liste de quelques collisionneurs linéaires en cours de développement

Dans les collisionneurs, des synchrotrons et des accélérateurs résonants linéaires (LRU) sont utilisés comme accélérateurs. Même dans les collisionneurs en anneau basés sur des synchrotrons, les LRU sont nécessairement utilisés comme injecteurs de synchrotron. L'accélération des particules dans les synchrotrons se produit dans les systèmes de résonateurs, qui sont des fragments de systèmes RF d'accélérateurs linéaires. Les LRU constituent la base des collisionneurs de leptons linéaires. De nouvelles méthodes prometteuses pour accélérer les particules dans les collisionneurs, telles que l’accélération du sillage dans le plasma, nécessitent également l’utilisation de LRU comme excitateurs de plasma.
Le développement de nouveaux collisionneurs électron-positon linéaires de haute énergie a nécessité des recherches théoriques et expérimentales approfondies sur le choix de la gamme de fréquences de fonctionnement utilisée dans les accélérateurs résonants linéaires. électrons (LUE) et protons (LUP). La volonté de réduire la longueur des accélérateurs a nécessité le développement de nouvelles structures accélératrices fonctionnant dans les gammes de longueurs d'onde C -, X -, Ku - et K.
Lors de la création de nouveaux collisionneurs dans la gamme d'énergie TeV, de nombreux problèmes liés à la technologie des accélérateurs à résonance linéaire ont été résolus. Des structures accélératrices RF ont été créées dans les gammes énumérées ci-dessus, fonctionnant à des fréquences nettement plus élevées que celles utilisées précédemment. Le fonctionnement fiable des structures « chaudes » avec un gradient d'accélération de 100 MV/m à des fréquences allant jusqu'à 12 GHz est assuré (gamme K u).
Des sources RF de haute puissance ont été développées - des klystrons en bande X à faisceau unique.
D'autres éléments des chemins de puissance RF ont également été améliorés, par exemple les dispositifs de compression d'impulsions RF ou les dispositifs de distribution retardée. Cette technique permet d’utiliser un seul klystron pour alimenter plusieurs sections accélératrices.
Des klystrons multifaisceaux en bande L avec une puissance d'impulsion de 10 MW et une durée d'impulsion RF de 1,6 ms ont été développés.
Dans le même temps, il convient de noter que les objectifs initialement prévus consistant à créer des collisionneurs de la gamme T utilisant des accélérateurs linéaires en bande K (fréquence 30 GHz) n'ont pas pu être atteints. L'idée d'utiliser des ultra-hautes fréquences reposait sur le fait que la résistance électrique d'une structure augmente presque linéairement avec l'augmentation de la fréquence. Des études théoriques et expérimentales approfondies du New Linear Collider (NLC) aux États-Unis, du Global Linear Collider (GLC) au Japon, du Japanese Linear Collider (JLC) et du Compact Linear Collider (CLIC) en Suisse ont cependant montré que , du moins avec la technologie actuelle, il n'y a pas d'augmentation notable du gradient de champ électrique maximal aux fréquences d'oscillation supérieures à 12 GHz. C'est la raison du passage d'une fréquence de 30 GHz à une fréquence de 12 GHz dans le collisionneur CLIC.
Le désir d'augmenter la fiabilité opérationnelle et d'autres raisons ont conduit au fait que le développement du collisionneur linéaire international (ILC) a commencé à reposer sur l'utilisation de la gamme de fréquences L et de structures accélératrices supraconductrices.
Un autre problème à résoudre concernait les modes transversaux de diodes d'ordre élevé induits par des paquets de particules d'électrons ou de positons dans des structures accélératrices et des fils électroniques. L'apparition de ces champs est particulièrement indésirable sur de grandes longueurs de trajets électroniques. Des modes plus élevés de champs dipolaires transversaux entraînent une augmentation des dimensions transversales du faisceau (jusqu'à son effondrement), une augmentation de l'émittance et de la propagation de l'énergie. Les modes qui provoquent une instabilité du faisceau sont particulièrement gênants aux hautes fréquences, mais doivent également être supprimés dans la bande L.
Une place particulière est occupée par les problématiques liées au projet Compact Linear Collider (CLIC). Contrairement aux schémas conventionnels, CLIC utilise le principe de l'accélération à deux faisceaux. Les principales structures accélératrices à plusieurs sections d'électrons et de positrons LU ne sont pas alimentées par des klystrons, mais par l'énergie RF, qui est générée dans les désaccélérateurs lors du freinage du faisceau relativiste des accélérateurs-excitateurs.
Comme mentionné ci-dessus, la création de LUE pour les collisionneurs a stimulé le développement de nouveaux klystrons de haute puissance, notamment multifaisceaux dans différentes gammes de fréquences.
Il convient de noter que les développements de LUE pour collisionneurs ont trouvé une application dans les lasers à électrons libres, dans la création d'installations de contrôle non destructif, pour la thérapie et le diagnostic des tumeurs malignes. La technologie RF développée pour le collisionneur linéaire international et associée au LUE est utilisée dans la conception du laser européen à électrons libres à rayons X en construction au DESI.
Les principaux problèmes liés au LRU ont été résolus lors de la construction et du développement de collisionneurs linéaires d'électrons et de positons. Ceux-ci sont principalement traités dans le chapitre 3, « Collisionneurs linéaires d'électrons-positons et de photons à haute énergie ». Plus brièvement, les problèmes liés aux injecteurs LRU et aux systèmes d'accélération de particules dans les synchrotrons sont présentés dans le chapitre 2, « COLLIDEURS D'ANNEAU À HAUTE ÉNERGIE », qui décrit le Grand collisionneur électron-positon (LEPC) et le Grand collisionneur de hadrons (LHC).
Le matériel relatif à la méthode d'accélération du sillage est donné au chapitre 4, MÉTHODE D'ACCÉLÉRATION DU SILLAGE.
Certaines informations sur les LRU et les fragments des systèmes RF LRU utilisés dans les accélérateurs de photons et de muons sont données dans la section 2.3 « COLLIDEURS DE MUONS ». et dans la section 3.4 « COLLIDEURS DE PHOTON ». Il convient toutefois de noter que les détails des LRU conçus pour les collisionneurs de muons ne sont pas encore disponibles dans la littérature publiée.
On suppose que le lecteur connaît la théorie et la technologie des accélérateurs linéaires résonants.
Pour faciliter l'utilisation du livre, le chapitre 1 aborde brièvement certaines questions de la théorie des collisionneurs, ce qui permettra de travailler avec le livre sans moins recourir à d'autres sources d'informations contenues dans de nombreuses monographies, articles et rapports, dont les liens sont donnés. à la fin de ce chapitre.