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Qui a créé l’accélérateur de particules ?

Qui a créé l’accélérateur de particules ?

Qui est le manager de Booba ? Anne Cibron – Booska-P. Pourquoi il ne faut pas manger trop de viande ? Manger trop de viande rouge accroît le risque de maladies cardiovasculaires et de cancers. Selon plusieurs études, la consommation de viande rouge augmenterait de 24 % le risque de cancer du côlon, et de 20 à 60 % ceux de l’œsophage, du foie, du pancréas ou du poumon.25 févr. 2022 C’est quoi Flex basis ? La propriété flex-basis détermine la base de flexibilité utilisée comme taille initiale principale pour un élément flexible. Cette propriété détermine la taille de la boîte de contenu sauf si une autre boîte est visée par box-sizing .1 oct. 2022 Quel iPhone sera obsolète en 2023 ? Quand l’iPhone 8 sera obsolète ? Cela signifie que si vous achetez l’iPhone 8 Plus aujourd’hui, vous pourrez l’utiliser jusqu’en 2023 au moins. Vous n’aurez pas des choses comme la 5G, vous aurez besoin d’un iPhone 12 ou iPhone 13 pour cela, mais cela fonctionnera toujours très bien. Quel est le prix d’un cygne ? Pour ceux qui sont toutefois intéressés pour acquérir les volatiles, il vous reste encore 17 jours pour enchérir avec une mise à prix de 80 euros pour le couple et de 40 euros pour le cygneau.7 juil. 2015


Bonjour à tous, aujourd’hui ensemble, nous allons visiterun endroit exceptionnel. Ici, au CERN, à Genève, se trouveune des machines les plus extraordinaires jamais construitespar l’être humain : le LHC. Le LHC c’est le plus grand et le plus puissantaccélérateur de particules au monde, vous le savez peut-être il a notammentété conçu dans le but de débusquer le fameux boson de Higgs. Une entreprise couronnée de succès puisque cette découverte a été annoncéeici même au CERN, le 4 juillet 2012. Ensemble aujourd’hui nous allons explorerle LHC en essayant de comprendre les incroyables défis scientifiqueset technologiques qu’il a fallu relever pour mettre la mainsur cette particule insaisissable. [Générique] Le boson de Higgs, vous vous êtes peut-êtredéjà demandé pour quelle raison on parle autantde cette particule et pourquoi elle fascine à ce pointles physiciens. Eh bien c’est parce qu’elle représente la toute dernière pièce d’un grandpuzzle scientifique dont la résolution aura durépresque un demi-siècle. Entre les années 1950 et 1960 de nombreuxphysiciens ont travaillé à bâtir une grande théoriecensée expliquer toute la structure fondamentalede la matière, on appelle cette théorie le “modèle standard de la physiquedes particules”. Ce modèle fait appel à 16 typesde particules élémentaires qui permettent d’expliquer la totalitédes formes de matière et l’ensemble de ses interactionsdans le monde de l’infiniment petit. Mais pour tenir debout cette théorieambitieuse avait besoin d’un ingrédient supplémentaire,une 17ème particule ayant pour lourde tâche d’expliquerl’existence de la masse des autres particulesfondamentales. Cette ultime pièce du puzzle,c’est le fameux boson de Higgs. Aujourd’hui je ne vais pas revenir surce rôle théorique du boson de Higgs, j’ai déjà eu l’occasion de le fairedans une vidéo précédente sur le sujet. Puisqu’on a la chance d’être au CERN,je voudrais plutôt me concentrer sur les formidables prouessesqu’il a fallu accomplir pour mettre en évidence cette particule presque un demi-siècle aprèsqu’elle ait été imaginée par François Englert, Robert Broutet Peter Higgs. Et pour bien comprendre pourquoinous avons eu besoin d’une machine aussi extraordinaireque le LHC pour attraper ce boson de Higgs,je voudrais commencer par revenir dans le tempspour vous expliquer comment on s’y prend pour découvrirde nouvelles particules. Projetons nous presque 90 ansen arrière, en 1932, cette année là on vient de démontrerl’existence du neutron et Heisenberg propose alorsson modèle de l’atome qui est celui que nous connaissons bienet qu’on trouve dans les manuels scolaires. Un atome y est représenté comme un noyau formé de protons chargés positivementet de neutrons, et autour duquel on trouve des électronschargés négativement. Si on ajoute à cela le photonpour la lumière, toute la structure de la matièresemblait alors pouvoir s’expliquer avec l’aide de ces quatre particules. Sauf qu’à partir de l’année 1932 on a commencé à en trouvertout un tas d’autres. Des particules qui nous avaient échappéjusqu’ici, et ce pour une bonne raison : elles n’existent pas de façon stableà l’état naturel. C’est par exemple le cas du muon,un lointain cousin de l’électron, dont la durée de vie est de seulement2 microsecondes. Malgré cette existence éphémère des muonssont produits en permanence par les collisions des rayons cosmiques qui viennent frapper les moléculesde l’atmosphère. Du fait de leur durée de vie si courteles muons avaient échappé à l’œil des physiciens de l’époque mais dans les années 30 on a pu découvrirleur existence grâce à un détecteur très simpleune chambre à brouillard. La chambre à brouillard c’estune sorte d’aquarium étanche et saturé de vapeur d’alcool, quand une particule traverse la chambre,elle laisse une traînée derrière elle provoquée par la condensation de l’alcoolce qui trahit sa présence et permet ainsi de visualiser sa trajectoire. Alors savoir qu’une particule vient de passerc’est bien mais encore faut-il pouvoir la caractériseret l’identifier. Une façon de le faire c’est de placer la chambre à brouillarddans un champ magnétique on sait en effet qu’un champ magnétiquecourbe les trajectoires des particules qui possèdent une charge c’est ainsi qu’on a pu observerque certaines trajectoires, dans les chambres à brouillard,se courbaient mais de façon bien moins prononcéeque celle des électrons, cela a permis de comprendre qu’on avait làdes particules inconnues au bataillon, chargées négativement comme l’électronmais environ 200 fois plus lourdes, ces particules qu’on a finipar baptiser les muons. Cette histoire de la découverte des muonsest assez ancienne mais elle illustre bien les deux ingrédientsqui sont toujours nécessaires lorsqu’on est à la recherchede nouvelles particules. D’un côté puisqu’il s’agit de particulesqui n’existent pas à l’état naturel, il faut un moyen de les produire, dans le cas des muons c’étaient les rayonscosmiques qui jouaient ce rôle. Et de l’autre, il faut pouvoirles caractériser et les identifier et à l’époque on utilisait donc une chambreà brouillard avec un champ magnétique. Depuis les années 30 l’histoirede la physique des particules expérimentale est allée de pair avec l’évolutiondes moyens techniques permettant de produire et détecterde nouvelles particules. Du côté de la création de particules, on n’a fondamentalement besoinque d’un seul ingrédient : de l’énergie, et ce d’autant plus qu’on cherche à créerdes particules massives, c’est l’un des sens de la fameuserelation e = mc² . On l’a dit, dans le cas des muonscette énergie provenait des collisions des rayons cosmiquesavec les particules de l’atmosphère, mais pour pouvoir produire et découvrirtoujours plus de nouvelles particules, il a fallu faire appel à des collisionsartificielles et donc à des accélérateurs de particules. Le principe de base en est assez simple : on prend une particule de départqui possède une charge, par exemple un électron, un proton, et on la fait passer dans un champélectrique pour l’accélérer. C’est comme ça que fonctionnele canon à électrons qu’on retrouve notamment dans les tubescathodiques des vieilles télévisions. En envoyant ensuite ces particules accéléréesentrer en collision avec un matériau, on libère de l’énergie susceptible de donnernaissance à de nouvelles particules. L’énergie de collision obtenueavec un tel système dépend de la charge de la particuleaccélérée et de la tension utilisée et donc,pour simplifier les calculs, les physiciens utilisent une unitéqu’on appelle l’électronvolt noté “eV”, par exemple 1000 eV c’est l’énergiecinétique d’un électron qui a été accéléré dans une tensionde 1000 volts, et ce serait pareil avec un protond’ailleurs, et on utilise aussi les multiplesde cette unité, donc vous allez m’entendre parlerde kiloélectronvolts (keV) , mégaélectronvolts (MeV) ,gigaélectronvolts (GeV) , et même téraélectronvolts (TeV) . Une limite de cette techniqued’accélération c’est qu’il est difficile de créeret de maintenir une tension statique supérieure à quelques centainesde milliers de volts et donc les énergies de collisionque l’on peut atteindre dépassent difficilement, disons un MeV, pour s’affranchir de cette limitationil existe une solution : s’arranger pour que les particulesqu’on accélère reviennent passer plusieurs fois de suite dans le même champ électriqueavant d’être libérées. Cela nécessite de pouvoir contrôlerleur trajectoire et on peut le faire avec un autre champ,que j’ai déjà mentionné, le champ magnétique. En effet puisque le champ magnétique courbela trajectoire des particules chargées on peut s’en servir pour leur faire suivreun trajet circulaire ou en spirale. En combinant ainsi des champsélectriques et magnétiques on peut créer ce qu’on appelle un cyclotron qui permet de faire passer plusieurs foisles particules dans la tension accélératrice et donc d’atteindre des énergies bien plusimportantes que le simple canon à électrons. Depuis beaucoup d’innovationsont été apportées et de nouveaux types d’accélérateur ont étécréés, comme par exemple les synchrotrons, les différentes améliorationsont permis d’atteindre des énergies de plus en plus élevéesdans les collisions et donc de produire et de découvrirde plus en plus de nouvelles particules. Mais pour le boson de Higgs,c’est une autre histoire, il s’agit en effet d’une particulequ’on supposait très massive et donc nécessitant beaucoup d’énergieet de surcroît très difficile à produire, il a donc fallu faire appelà de nouvelles technologies, celles du LHC dont les premiers plansont été imaginés dès les années 80. Le LHC est l’accélérateur de particulesde tous les extrêmes. Un anneau circulaire d’une circonférencede 27 km, située à 175 mètres sous terre, icià la frontière franco-suisse et permettant de réaliser des collisionsde protons, à l’énergie jamais vue de14 téraélectronvolts. Pour obtenir cette énergie de collision on n’utilise pas un faisceau venantfrapper une cible fixe mais deux faisceaux tournant en sens opposésl’un de l’autre et que l’on fait se rencontrer à des endroitsbien choisis de leur trajectoire. Outre des protons le LHC peut égalementaccélérer des noyaux de plomb, on regroupe l’ensemble sous le termegénérique de hadrons d’où son nom “Large Hadron Collider” mais bien qu’on parle toujours de lui,le LHC ne fait pas le travail tout seul, il n’est que le dernier maillond’une chaîne d’accélérateurs de plus en plus puissants dont l’objectifest d’amener progressivement les protons jusqu’à leur énergie maximale. Tout commence avec une simple bouteilled’hydrogène dont on extrait les protons qui serontaccélérés tout au long du processus, ceux-ci débutent leur voyage dansun accélérateur linéaire, puis sont transmis au booster, qui les livrent au synchrotron, puis au super synchrotron avant d’être injectés progressivementdans l’anneau du LHC. C’est au moment de cette injectionque le flux de proton est scindé en deux de façon à alimenter les deux faisceauxqui composent l’anneau du LHC. Les protons des deux faisceauxseront alors accélérés jusqu’à l’énergie de 7 TeV permettant d’atteindre 14 TeVau moment des collisions. Pour atteindre ces énergies fantastiquesle LHC se base essentiellement sur les mêmes principes physiquesque les autres accélérateurs. Un champ électrique pour accélérerles particules et un champ magnétique pour contrôlerleur trajectoire dans l’anneau mais tout ça d’une façon bien plus complexequ’un simple cyclotron. Le champ électrique utilisé estce qu’on appelle un “champ radiofréquence résonnant” qui permet d’atteindre des accélérationsbien plus élevées que celle d’un champ électrique statique, ce champ est appliqué dans les cavitésradiofréquences du LHC, on en compte 16 le long de la trajectoire,8 par faisceau. Ces cavités permettent en quelque sortede donner “un petit coup de fouet énergétique”aux particules qui les traversent, cela représente quelques MeV par passagemais, à force de tourner dans l’anneau, l’énergie des protons passe progressivementde 450 GeV à 7 TeV. Mais entre ces cavités accélératrices, les protons doivent suivre la formecirculaire de l’anneau du LHC et pour contrôler cette trajectoireon a besoin d’un champ magnétique. Les 27 kilomètres qui composent l’anneaudu LHC sont principalement formés de structures élémentaires comme celle-ciqu’on appelle des dipôles, chaque dipôle mesure 15 mètres de longet pèse 35 tonnes. À l’intérieur deux tubes de seulementquelques centimètres de diamètre qui contiennent les deux faisceauxtournant en sens opposés l’un de l’autre. Afin d’assurer la bonne courburede la trajectoire ces tubes sont le siège d’un champmagnétique énorme, en effet plus la vitesse des protonsest importante plus le champ magnétique doit être élevépour les maintenir sur la bonne trajectoire. Ce champ augmente donc progressivement au furet à mesure de l’accélération des protons jusqu’à atteindre la valeur monstrueusede 8 teslas soit cent mille fois plus que le champmagnétique terrestre. Pour produire ce champ magnétique colossal, on utilise des électroaimantsque l’on distingue ici, vous connaissez peut-être le principede l’électroaimant, il s’agit d’une bobine de fil et, plus le courant qu’on y fait circulerest élevé, plus le champ magnétique produit au centrede la bobine sera important. Pour obtenir 8 teslas aveccette configuration, il faut y faire circuler un courantdont l’intensité atteint 12 000 ampères. De telles intensités on n’en trouvenulle part évidemment dans nos installations électriquesdomestiques, un appareil électroménager c’est généralementquelques ampères, au maximum ça peut atteindreune dizaine d’ampères dans le cas des appareils chauffantscomme les bouilloires électriques ou les grille-pain, qui exploitentjustement le fait que plus l’intensité électrique est élevéeplus la chaleur dégagée sera importante. Donc à première vue un courant électriquede 12 000 ampères ça devrait dégager une chaleur monstrueuse, de quoi faire s’évaporerle lac Léman à côté. Heureusement il existe une solutionpour s’en sortir, c’est d’utiliser pour les électro aimants des fils électriques pas comme les autres,des supraconducteurs. Un supraconducteur c’est un matériau capablede conduire le courant sans aucune résistance électrique et doncsans dégagement de chaleur ni pertes inutiles. Il n’existe que très peu de matériauxde ce genre, dans le cas du LHC on utilise un alliagede niobium et de titane, le seul souci c’est que, comme pour tousles matériaux de ce genre, l’effet supraconducteur ne se manifestequ’à des températures extrêmement basses. Tous les aimants du LHC sont donc refroidisjusqu’à la température glaciale de moins 271° Celsius,(environ 2° au dessus du zéro absolu) . À titre de comparaison c’est juste un tout petit peu plus froidque l’espace intersidéral et pour refroidir tout le LHC on utilise12 000 tonnes d’azote liquide et 700 mètres cubes d’hélium super fluide,permettant de refroidir 270 000 kilomètres de câblessupraconducteurs. Le LHC ce sont donc des courants électriquesextrêmes, des températures extrêmes, des champs électromagnétiques extrêmes,mais également un vide extrême. En effet pour éviter que les protons quicirculent ne viennent entrer en collision avec les molécules de l’air ambiant,il règne dans les tubes une pression 10 000 milliard de foisinférieure à la pression atmosphérique. Ce qui en fait un des endroits les plusvides du système solaire. Les dipôles comme celui ci ne sont pasles seuls briques qui permettent de construire l’anneau du LHC, il existe de nombreux types d’aimantsayant chacun une fonction spécifique, comme par exemple les quadripôles qui permettent de focaliser le faisceauet d’éviter sa dispersion. Pour vous donner une idée de la précisiondes réglages et des ajustements nécessaires pour garderle faisceau sur sa trajectoire, sachez que les opérateurs du CERNdoivent tenir compte des mouvements et des phases de la lunequi dilatent très légèrement l’anneau selon un phénomène analogueà celui des marées. Je me trouve maintenant dans le centrede contrôle du CERN, c’est d’ici que sont pilotées toutesles installations permettant d’accélérer les protonsjusqu’au bon niveau d’énergie pour pouvoir procéder aux expériencesde collision. Je vous l’ai dit, le LHC reçoit ses protonsd’un accélérateur plus petit, le super synchrotron qui les a déjà portésà l’énergie de 450 GeV. Ces protons sont ensuite injectésprogressivement pour alimenter les deux faisceauxde l’anneau du LHC qui les amènera à l’énergie de 7 TeV. Le total de l’opération prenant environune vingtaine de minute. Chaque faisceau se structurede la façon suivante : les protons sont regroupés en 2800 paquetsespacés de 7 mètres tout au long de l’anneau. Un paquet ne mesure que quelques centimètresde long et 1 mm de diamètre et contient environ 100 milliards de protons. À la fin de la phase d’accélérationles paquets de protons circulent à une vitesse très prochede celle de la lumière : 299 millions 792 mille 455 mètres par seconde, là où la lumière c’est : 299 millions 792 mille 458 mètres par seconde. L’anneau mesurant 27 km, à cette vitesse-làils accomplissent 11 245 tours par seconde. Au maximum l’énergie contenue dans chaquefaisceau équivaut à 80 kilos de TNT, il vaut donc mieux ne pasen perdre le contrôle. C’est une fois la phase d’accélérationterminée que les collisions peuvent commencer. Ces collisions entre les deux faisceauxde protons sont réalisées sur des points de croisement situés à desendroits bien précis de la trajectoire où sont placés les quatre détecteursdont nous parlerons tout à l’heure. Sachant que chacun des 2800 paquetseffectue 11 245 tour par seconde vous pouvez faire la multiplication, cela représente 30 millions de croisementspar seconde à chaque point de rencontre. Afin d’être certain que chaque croisementengendre le maximum de collision à l’entrée des détecteurs, les faisceauxsont focalisés et concentrés grâce à des aimants spécifiquesqui permettent de réduire le diamètre des paquets à seulement16 microns. Quand les faisceaux sont bien réglés,cela permet d’obtenir environ 20 collisions à chaquecroisement de paquets. Alors 20 ça peut paraître peu puisque chaque paquet contient100 milliards de protons, cela signifie que quand deux paquetsse croisent ils se passent très largement au traversl’un de l’autre. Et pourtant, au rythme où vont les faisceaux,20 collisions par croisement, cela représente 600 millionsde collisions par seconde. Ce taux de collision est un indicateurde performance important qui correspond à ce qu’on appellela “luminosité” de l’accélérateur. De façon générale plus la luminositéd’un accélérateur est élevée plus on augmentera les chances de produireet détecter les particules qu’on cherche. Cela va sans dire, le LHC est l’accélérateurde particules le plus lumineux du monde, environ 100 fois plus queson prédécesseur le LEP qui était en fonctionnement ici mêmejusqu’en novembre 2000, et comme nous allons le voir pour espérerproduire et détecter le boson de Higgs il fallait cette luminosité exceptionnelle. Je vous ai dit tout à l’heure que pourproduire et détecter de nouvelles particules il suffisait d’avoir de l’énergieen quantité suffisante mais c’est un petit peu plus subtil que ça. La création de nouvelles particules reposesur des interactions entre les particules qui collisionnent et que l’on peut grossièrement compareravec des réactions chimiques. Les physiciens figurent cela avecdes petits diagrammes représentant les particules et appelésdiagrammes de Feynman. Pour produire des bosons de Higgsdans le LHC, on compte notamment sur une réaction appeléela “fusion de gluons”. Il s’agit du fait que deux gluons, situésdans les protons qui collisionnent peuvent se rencontrer, interagir etdonner un boson de Higgs. Malheureusement les modèles théoriqueset les simulations nous permettent d’estimer que ça ne se produit que dansune collision sur un milliard. Donc même avec 600 millions de collisionspar seconde, faites le calcul, ça ne fait même pas un boson de Higgsproduit par seconde de fonctionnement, et ça ce n’est que la moitié du chemincar comme je lai déjà mentionné, produire de nouvelles particulesc’est bien, encore faut-il pouvoir les capteret les identifier. Et ça, c’est le travail des détecteurs Je me trouve maintenant à presque100 mètres sous terre dans la caverne du détecteur CMSque vous voyez derrière moi. Il s’agit de l’un des quatre principauxdétecteurs actuellement présents sur le LHCet celui qui, avec le détecteur Atlas, a permis la découverte du boson de Higgs. Ce détecteur fait 21 m de longet 15 m de diamètre, il pèse 14 000 tonnes et sa conceptionet son exploitation auront nécessité la collaboration de plusieurs milliersde scientifiques. Comme vous voyez on est assez loinde la simple chambre à brouillard qui avait permis la découverte des muons. La raison principale de ce gigantisme et de toutes les technologiesqu’il a fallu employer, c’est que le boson de Higgs est incroyablementdifficile à détecter. Une fois créé, sa durée de vie est infime puisqu’il se désintègre au bout de seulement10 puissance moins 22 secondes c’est à dire un dix millième de milliardièmede milliardième de seconde. On ne connaît aucune méthode qui permettrait de le détecter directementdans ce laps de temps. La meilleure chose qu’on puisse espérer fairec’est une détection indirecte, c’est-à-dire l’identifier au traversde ses désintégrations. Et nous allons voir que c’est comme chercherune aiguille dans une botte de foin. Quand une collision se produit ce sonten effet au total des dizaines de particules qui peuventêtre émises, c’est ce que l’on voit représentésur les images de ce type, et tout le travail d’un détecteur comme CMS sera de reconstruire correctementles trajectoires et les caractéristiques de toutesles particules créées afin de repérer celles qui trahissentla désintégration d’un boson de Higgs qui aurait été produit au momentde la collision. Pour réaliser ce fastidieux travailde reconstruction et d’identification un détecteur comme CMS est conçu avec une structured’oignon cylindrique. Il a en gros la forme d’un cylindreenveloppant le point de collision. Quand des particules sont produiteslors de la collision, elles traversent différentes couchesde capteurs ayant chacune une fonction bien précise. Au cœur du cylindre, là où se produitla rencontre des deux faisceaux et donc les collisions se trouventles trajectographes. Il s’agit de minuscules capteurs arrangéscomme une matrice et qui permettent d’identifier la position des particulesproduites sans trop les perturber. En quelque sorte c’est comme une caméraà 50 millions de pixels qui pourrait voir des particulesindividuelles tout en fonctionnant à 40 millionsd’images par seconde. Ces trajectographes ne détectentque les particules chargées mais permettent de reconstituerleur trajectoire à quelques dizaines de microns près. Grâce à un champ magnétique énormeil est également possible d’identifier certaines de leurscaractéristiques comme leur impulsion ou leur énergie. Sur la deuxième couche de l’oignon on trouvele calorimètre électromagnétique. Un calorimètre c’est un appareil capabled’intercepter certaines particules et, en les absorbant,de mesurer leur énergie. Ce premier calorimètre est ditélectromagnétique car il peut absorber les photons,les positrons, et les électrons. Comme nous le verrons plus tard,il est essentiel de pouvoir réaliser la mesure de l’énergie de ces particulesavec la meilleure précision possible. Pour cela le calorimètre électromagnétiquede CMS utilise des modules faits de cristaux scintillateursultra purs en tungstate de plomb. Il aura fallu cinq ans de R&D et 10 ansde production 24 heures sur 24 pour produire l’ensembledes 76 000 cristaux nécessaires à CMS. Sur la couche suivante se trouvele calorimètre à hadrons, c’est un autre appareil dont la fonctionest de mesurer des énergies mais cette fois pour les hadrons,c’est-à-dire les protons, les neutrons et les autres particules faites de quark. La technique est différente de celledes cristaux et utilise un sandwich alterné de métauxet de plastique scintillateurs. Et enfin sur la couche la plus externe de CMS se trouve le gros morceau,les chambres à muons. En effet parmi toutes les particulesque l’on souhaite détecter et analyser, les muons sont celles qui interagissentle moins avec la matière, et donc vont voyager le plus loin du centrede collision sans être affectées par les premièrescouches de détecteurs. Pour pouvoir mesurer les caractéristiquesde ces muons et notamment leur impulsion et leur énergie,on utilise un champ magnétique avec une structure bien particulièreen solénoïde, c’est d’ailleurs lui qui donne son nomà ce détecteur “Compact Muon Solenoid”. Il s’agit d’une énorme bobine de matériauxsupraconducteurs mesurant 13 mètres de long et 7 mètresde diamètre et qui enveloppe une bonne partiedu détecteur, elle produit un champ de 4 teslas en faisantcirculer un courant de 20 000 ampères. En conclusion, grâce aux quatre couchesde détecteurs, il est possible de repérer et caractériser presque toutes les particules susceptiblesd’être produites lors d’une collision, à l’exception des neutrinos qui ne sontcaptés par aucun détecteur mais dont on peut deviner la présenceindirectement, par un bilan d’énergie. Au total pour mettre au pointun détecteur comme CMS, il a fallu imaginer des technologiesde pointe d’une fiabilité et d’une résistanceà toute épreuve. En effet avec presque 1 milliardde collisions par seconde, les dizaines de milliersde circuits intégrés qui composent l’électroniquede ce détecteur sont soumis en permanence à d’intensesradiations, et pourtant ils doivent préserverune fiabilité exceptionnelle tout en fonctionnant à une fréquence extrême puisque un croisement se produittoutes les 25 nanosecondes. Sans compter qu’il est évidemment trèsdifficile d’ouvrir un tel détecteur pour remplacer un composant défectueuxqui serait tombé en panne. Nous voici maintenant à l’étape suivantede notre visite dans le centre de calcul du CERN. Il s’agit d’une pièce essentielledu dispositif puisque, on l’a dit, les collisions se produisent à un rythmeeffréné et seule une fraction infime d’entre ellesest susceptible de produire un boson de Higgs. Quand un boson de Higgs est créé etse désintègre presque immédiatement, il peut le faire de plusieurs façonsdifférentes, par exemple en un quarket un anti-quark bottom, c’est le mode de désintégrationle plus fréquent, presque 60% des cas, ou encore en 2 bosons w,2 gluons, 2 photons etc. Ce sont ce qu’on appelle les canauxde désintégration. La difficulté c’est qu’à partle boson de Higgs, il existe tout un tas d’autres phénomènessusceptibles de produire exactement les mêmes désintégrations et donc de conduire au même typede signal dans les détecteurs. Pour avoir la confirmationde l’existence du boson on va donc devoir rechercher des anomaliesstatistiques, c’est-à-dire par exemple : un excèsde désintégration d’un certain type par rapport à ce qu’on attendraitsi le boson de Higgs n’existait pas. Prenons un exemple : le cas où un boson de Higgs se désintègreen une paire de photons. Cette courbe symbolise en fonctionde l’énergie mesurée la quantité de paires de photons qu’on est censé observer en l’absencede boson de Higgs, juste du fait de tous les autres phénomènes qui se produisent dans les collisions,on appelle cela le background. Maintenant imaginons quele boson de Higgs existe et que sa masse soit disonsde 130 GeV, alors le fait qu’il se désintègre parfoisen une paire de photons devrait se traduire par une petite bosseici vers 130 GeV. Ça c’est pour la désintégrationen deux photons, mais, on l’a dit, il existe plein d’autrescanaux de désintégration dans lesquels rechercher ce type de signal, et pour débusquer le boson de Higgs,tous les canaux ne se valent pas, l’idéal ce sont les canaux où la taillede la bosse soit suffisamment importante par rapport au background. C’est ce qu’on appelle le rapportsignal sur bruit, ce rapport dépend bien sûr de la fréquencedes désintégrations mais aussi de la capacité des détecteursà reconstruire les trajectoires et mesurer les énergiesavec une bonne précision. Au total, parmi tous les canauxde désintégration possibles, les chercheurs de CMS et Atlasont d’abord concentré leurs efforts sur deux en particulier. Celui de la désintégration en deux photons,dont on a déjà parlé, et dont la bosse devrait être assez visible bien qu’ils correspondentà un phénomène assez rare, un boson de Higgs ne se désintégrerade cette façon qu’une fois sur 500. L’autre canal qui intéresse beaucouples chercheurs est celui qu’on surnomme le “canal en or”, il s’agit de la désintégrationen deux bosons Z qui se désintègrent ensuite eux-mêmesen deux paires de leptons. Les leptons ici ce sont des muons,des électrons, ou leurs anti-particules, c’est un phénomène encore plus rare,il se produit une fois sur 10 000, mais il est assez spécifiquedu boson de Higgs et donc le background devrait être faible, cela devrait se traduire par une bossebien visible dans les courbes. Ça c’était pour la théorie mais unedes difficultés majeures dans cette traque du boson de Higgs c’est la quantité astronomique de donnéesqu’il va falloir traiter. On l’a dit, il y à 30 millionsde croisements par seconde et à chaque croisement ce sonten moyenne 20 collisions et des centaines de particulesqui peuvent être produites et captées par les différents systèmesd’un détecteur comme CMS. Si on prend en compte toutes les donnéesproduites par toutes les parties du détecteur, cela représente environ 1000 téraoctetsde données par seconde, donc de quoi remplir mille disques dursenviron, à chaque seconde. Il est évidemment impossible de stockeret d’analyser une telle quantité de données, il faut donc trouver un moyen de réduirela collecte. Pour cela, à chaque croisement, donc30 millions de fois par seconde, des équipements électroniques spécifiquesappelés “trigger”, effectuent des analyses préliminairespour déterminer si cela vaut le coup de conserver les données correspondantes, si elles peuvent conduire ou pas,à la détection d’un boson de Higgs. Ce tri s’effectue en 3 microsecondes en essayant de repérer des signauxintéressants et permet de ne conserver les donnéesque d’un croisement sur 40 000, ce qui en stockage est évidemmentbeaucoup plus gérable. Ces données sont alors sauvegardéeset réparties sur 140 centres de calcul, situés partout dans le monde, qui procéderontà l’analyse des signaux. Comme vous vous en doutez,je passe encore sous silence énormément de prouesses techniques liées au fonctionnement des détecteurset à l’analyse des données. Car il est temps maintenant de parlerde ce qui a été annoncé ici, dans le grand auditorium du CERN,le 4 juillet 2012. L’image que vous voyez maintenanta été montrée le jour de l’annonce par le porte parole de la collaboration CMS. [Voix off] – “And when you do that,this is what you see, so that’s fearly significant.” – Ce graphique concerne la désintégrationen deux photons et représente le nombre de paires de photonsdétectées en fonction de leur énergie, en noir ce sont les données mesurées par CMS,et en pointillé rouge c’est le background c’est-à-direle calcul théorique de ce qu’on attendrait en l’absencede boson de Higgs. Comme vous le constatez on observeune petite bosse autour de 125 GeV ce qui est un signe qui trahit la présenced’une particule nouvelle ayant cette masse. Comme je l’ai mentionné deux expériencesen parallèle avaient comme mission de détecter le fameux boson. CMS et Atlas, deux détecteurs fonctionnantindépendamment et selon des principes de conceptiondifférents. Un peu plus tard lors de la conférence la porte parole de la collaboration Atlas a montré le graphique correspondantpour ce détecteur. On y voit le même type de bossedans la même gamme d’énergie, la courbe située juste en dessous représentel’excès par rapport au background. Comme vous pouvez le voir, on ne parle pasd’une quantité énorme, u total ce sont seulement quelques centainesde photons en trop qui ont été trouvés dans ces intervallesd’énergie. On comprend d’ailleurs la nécessitéd’être capable d’estimer avec une très bonne résolutionl’énergie des photons, si la résolution avait été moins bonne, la bosse aurait été complètement étaléeet on n’aurait rien pu conclure. Intuitivement on pourrait penserque ces deux résultats concordants de deux expériences indépendantesseraient suffisants pour annoncer la découvertedu boson de Higgs. Mais non car les physiciens des particulesont des critères statistiques très exigeants et pour être autorisé à annoncerune telle découverte, il faut un niveau de preuveencore plus élevé. Heureusement les deux expériences Atlaset CMS ont pu regarder l’autre canal de désintégrationdont on a parlé, celui où un boson de Higgs se désintègreen 2 bosons Z puis 4 leptons, le fameux canal en or, un canal très sensible mais correspondant à des désintégrationstrès rares. Voici le graphique correspondant pour CMS : on voit ici le background en bleu, en points noirs les données mesurées, et en rouge ce qu’on attendrait de la présence d’un boson de Higgsdans la zone des 125 GeV. La bosse est bien là maiscomme vous le voyez, cela ne correspond qu’à un très petit nombre d’événements excédentaires,moins d’une dizaine. Et voici la courbe équivalente pour Atlas. Au total, en combinant les deux canaux,les physiciens des expériences Atlas et CMS ont pu atteindrele seuil statistique au delà duquel on est autorisé à annoncerla découverte d’une nouvelle particule. Depuis on a beaucoup affiné les résultats, en effet bien plus de collisionsont été enregistrées c’est une mesure qu’on appellela luminosité intégrée et les résultats ont été bien évidemmentconfirmés, comme on le voit sur cette courbe où les barres d’erreurs sontbien plus faibles et la bosse beaucoup plus nette. À ce stade on pourrait se direque les résultats des collaborations Atlas et CMS montrent seulement l’existenced’une nouvelle particule mais s’agit-il bien du boson de Higgs ? Eh bien il faut savoir qu’on a pu vérifieraussi que les pourcentages des différents modes de désintégrationcollaient parfaitement avec ce qu’on attendait du boson de Higgs en plus de la confirmation du fait qu’il ait,comme prévu, un spin égal à zéro. Comme vous le savez certainement, suite àla découverte du boson de Higgs en 2012, le prix Nobel de physique 2013 a été attribuéà Peter Higgs et François Englert, deux des théoriciens qui, il y à 50 ans, avaient imaginé dans leurs calculsl’existence du boson. Le compatriote et coauteurde François Englert, Robert Brout étant malheureusement décédéen mai 2011 sans avoir pu vivre la découverte. Quand on voit tout le travail accompli ici on se dit que le prix aurait aussi pu alleraux physiciens qui ont réalisé ces formidables expériences, mais par tradition le prix Nobel de physiquen’est attribué qu’à des individus et pas à des groupes et il aurait étédifficile de ne distinguer que quelques personnes parmi les milliersde scientifiques ayant collaboré sur près de trois décennies pour rendrecet exploit possible. Aujourd’hui si nous avons pu fairecette visite exceptionnelle au CERN c’est parce que le LHC esten arrêt temporaire pour réaliser des opérations de maintenanceet d’amélioration. J’ai donc voulu interrogerles physiciens du CERN pour en savoir plus sur ce qui se prépare. – Alors oui, effectivement ça faitplusieurs années qu’on a découvert le boson de Higgs mais il y a encore beaucoup de mesures,beaucoup d’études et analyses pour bien comprendre les propriétésdu boson de Higgs. Mieux on connaît les couplages de higgs,les différents couplages, mieux on peut comprendre les propriétésdes particules, être sûr que c’est vraiment le boson de Higgstel qu’on le pense. – On cherche parfois des événementsqui sont très rares et donc plus on a de données plus on ala possibilité de voir quelque chose. Les “upgrades” ça consiste surtoutà augmenter le nombre de collisions dans le LHC,par un facteur 10, donc cà veut dire qu’au point de collision,on doit augmenter la densité du faisceau. – Dans le LHC on a des aimantsqui font 8 teslas, en général. On veut augmenter ce champ magnétique,dans l’année prochaine on va installer des aimants qui font11 teslas par rapport à 8 teslas. Donc pour faire ça, il faut augmenterle courant, donc pour ça on utilise typiquementdes nouveaux types, de nouvelle générations de matériaux. donc par rapport au niobium-titaneon va utiliser le niobium-étain et dans quelques… dans environ 5 ans,on va installer des aimants qui font un “focus” beaucoup plus fortpour mieux concentrer les particules et pour pouvoir avoir plus de luminositédonc plus de collisions entre particules. – Actuellement LHC a été conçu pourune luminosité de 1×10 puissance 34 et la luminosité pic pour HL-LHC(High Luminosity-LHC) sera 2×10 puissance 35. – Une grande luminosité voudrait direplus de statistiques plus de d’événements donc avoir plus de statistiques,plus de luminosité peut être très utile. – Par contre si on travaille surcette luminosité pic, ça veut dire qu’il y a beaucoup de tracesdans les expériences et les expériences arrivent mieux à distinguer les différentesorigines de ces traces, pour les détecteurs ça devient beaucoupplus difficile dans ces cas-là. – Donc vraiment dans l’idée du HL-LHCon va avoir au lieu de 35, on va dire, collisions par croisementen moyenne, là on va avoir à peu près 200collisions par croisement. Augmenter si vous voulez, le tauxde collision dans le détecteur c’est quelque chose dont on a besoinpour chercher des phénomènes rares, sauf qu’ensuite il faut quand même êtrecapable d’y voir clair dans la production de milliersde particules en même temps. On avait besoin d’avoir un détecteurbeaucoup plus segmenté pour pouvoir être capable de mesurerl’énergie des particules séparément. Donc à l’avant on est en train de concevoir cette fois-ci un calorimètrecomplètement innovant. Il s’agit donc de faire un détecteurhautement granulaire, ce qu’on appelle un calorimètre imageur, qui est à la fois en fait la combinaisond’un détecteur de trace, d’un trajectographe et d’un calorimètre. Là, dans ce cas-là, on va justementsegmenter donc en ayant des parties d’absorbeurset des parties actives, c’est qu’on va être capable de séparerles particules entre elles, donc vraiment être capablede suivre le parcours de la particuleet son dépôt d’énergie. Donc c’est quand même un projettrès innovant et aussi extrêmement compliqué à réaliserparce que, imaginez qu’un calorimètre aujourd’hui,comme le calorimètre de CMS, on a 75 848 cristaux de tungstate de plomb, là le HG-Cal qui est le”High-Granularity Calorimeter” qui se retrouve à l’avant du détecteurseulement, on parle de 6 millions de canaux. – Il faut voir qu’avec la montéedu LHC en puissance, on est obligé de faire des calculsplus poussés pour être capable de rejeter beaucoupplus de bruit de fond qu’avant. Donc cet objet il est développé par les ingénieurs électroniciensqui travaillent sur les expériences LHC et c’est une nouvelle génération de systèmesde déclenchement dont le but va être de séparer de manièreplus efficace les électrons et les photons par rapportau bruit de fond. Et donc là, on devrait gagner un facteur2 à 3 sur la réjection du bruit de fond, et ça c’est crucial pour qu’on puissebénéficier des nouvelles données qui arriveront du LHC. – Le boson de Higgs qu’on a découvert doncc’est une particule, mais il y a des modèles qui prédisent qu’on peut avoir plusieurs typesde bosons de Higgs. Si je prends l’exemple de supersymétrie,on va avoir cinq bosons de Higgs, trois bosons de Higgs neutres et deuxbosons de Higgs qui sont chargés, et le boson de Higgs qu’on a découvertserait le boson, le plus léger. – D’accord, le plus léger des trois neutres. – Il y a aussi des recherches qui peuventnous permettre de voir éventuellement les particules qui sont les candidatespour la matière noire elle même. Donc en supersymétrie il y auraitune particule neutre qui interagit très très faiblement, qui peut être une bonne candidatepour la matière noire. Et cette particule pourrait être généréeen même temps que d’autres particules au LHC, et ça peut être à la portée justementdu nouveau rang du LHC. Dans l’expérience LHC-b il y à des déviations qui sont déjà observées avec les prédictionsdu modèle standard et justement, il n’y a pas assezde statistiques pour l’instant pour pouvoir confirmer ces déviations-là, si c’est vraiment des signauxde nouvelle physique ou pas, et il y a beaucoup d’espoir qu’avecle nouveau rang de LHC on va avoir suffisamment de donnéespour enfin bien comprendre est-ce qu’on a découvert quelque chosede nouveau ou est-ce qu’il y a d’autres raisonsà ces déviations ? – Et en plus, dans le futur on peut aussiaugmenter, si on change les dipôles, on peut augmenter aussi l’énergiedans les particules pour la même circonférence du LHCou si on augmente aussi la circonférence, de 27 à 100 km par exemple, on peut bienaugmenter l’énergie des particules pour avoir des collisions qui sonttrès intéressantes. Maintenant on est autour de 13 à 14 TeV et là on peut augmenter peut-êtrevers une centaine de TeV. – Un des principaux espoirs des physiciensaujourd’hui c’est donc que le LHC finisse par nousrévéler quelque chose d’inattendu, des phénomènes nouveaux qu’onne comprendrait pas et qui nous permettraient d’aller plus loin. En effet il reste toujours aujourd’hui un certain nombre de questions ouvertesen physique fondamentale. Qu’est ce que la matière noire ? Pourquoi y a t-il plus de matièreque d’antimatière ? Et surtout comment unifier la mécaniquequantique et la relativité générale ? Et des éléments de réponse à ces questionspourraient donc surgir des futures expériences qui seront menéesici au LHC dans les années à venir [Générique] – Sous-titrage : Le Crayon d’oreille –

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