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Centre Européen de Recherche Nucléaire

Le CERN… On en a tous déjà entendu parler. On sait globalement que le Centre Européen de Recherche Nucléaire est composé de gens «  très intelligents » et « très curieux » qui travaillent pour la recherche scientifique. Mais à moins d’être diplômé en physique des particules, d’être le fils spirituel d’Einstein, ou d’avoir la science infuse, il est difficilement envisageable d’expliquer l’activité du CERN dans le détail, sans s’être penché très sérieusement sur la question.
Je sais, grâce à un Papa qui a contribué 35 années durant à son activité, à quel point le CERN est fascinant et mérite qu’on rassemble ses neurones pour simplifier un peu le dialogue et s’intéresser de plus près, à ceux qui étudient avec passion notre univers !

Expérience CMS
Expérience CMS ©CERN 

Le CERN a été créé en 1954. Situé de part et d’autre de la frontière franco-suisse près de Genève, c’est le plus grand laboratoire de physique des particules au monde. On compte 20 états membres qui contribuent financièrement au fonctionnement de l’organisation CERN, près de 10 000 physiciens, ingénieurs, scientifiques et techniciens de 50 pays impliqués dans les expériences au CERN, et un budget de dépenses d’environ 1250 millions de francs suisse (soit un peu plus d’un milliard d’euros) pour l’année 2013.

On pourrait résumer l’activité du CERN en disant que c’est un laboratoire où des scientifiques du monde entier collaborent, pour étudier les constituants élémentaires de la matière et les forces qui les relient. Mais disons plus simplement que pour comprendre notre univers aujourd’hui, il faut comprendre les différentes étapes qui ont mené à sa création. Le but est donc de recréer le phénomène qui s’est produit alors, et d’en étudier les moindres détails.
Pour savourer ce voyage extraordinaire au cœur des planètes et de la matière, reprenons l’explication depuis le commencement, grâce aux lumières de deux spécialistes : Pascal Petiot, Technicien au CERN sur l’expérience CMS, et Yves Sirois, Physicien au CERN et directeur de recherche CNRS.
Il y a 13,7 milliards d’années, une gigantesque explosion, le Big Bang, donna naissance à notre univers. L’univers primitif s’est refroidi et étendu. Les particules élémentaires jusqu’alors éparpillées se sont progressivement agglutinées, formant des atomes. Sous l’action de la gravitation, les atomes se sont condensés en étoiles, et les étoiles en galaxies. Au sein des étoiles, des éléments de plus grande masse se sont constitués avant d’être dispersés dans l’espace par l’explosion de supernovae. Il y a près de 4 milliards d’années, la Terre s’est formée à partir de débris d’orbite autour du soleil, notre étoile la plus proche.
Aujourd’hui, les accélérateurs de particules du CERN recréent les conditions qui régnaient juste après le Big Bang. L’étude de ce qui se passa alors aide à expliquer l’état actuel de l’Univers.

LHC, le plus grand accélérateur de particules au monde.

Pour étudier l’infiniment petit, et ainsi recréer les conditions qui prévalaient juste après le Big Bang, les équipe du CERN ont conçu le plus grand accélérateur de particules au monde, le LHC (Large Hadron Collider). Impressionnant !

LHC
LHC ©CERN

L’accélérateur du LHC est en fait la plus grande piste de course du monde. Tout au long de ses 27 km de tunnel d’environ 3 mètres de diamètre, à 100 mètres sous terre, les particules sont lancées à 99,9999991% de la vitesse de la lumière ( soit près de 300 000 km par seconde) et effectuent 11 245 fois le tour de l’accélérateur par seconde. Deux faisceaux de protons voyagent donc chacun à une énergie maximale de 7 TeV (téraéléctronsvolts), produisant 40 millions de croisements par seconde, pour près de 600 millions de collisions frontales par seconde, à une énergie de 14 TeV.

Ces collisions ont lieu au cœur de 4 gigantesques expériences qui sont situées sur le cercle du LHC : Atlas, Alice, CMS, et LHCb.

Le but de ces collisions est de casser les particules le plus petit possible et en créer de nouvelles pour pouvoir les identifier, en interpréter les paramètres, et en extraire les particularités. C’est un peu comme faire se cracher deux voitures et retrouver ensuite les petites pièces autour, qui étaient jusque-là invisibles.

Après environ 12 heures, les faisceaux de protons ayant parcouru jusqu’à 10 milliards de km sont considérés comme défectueux, le LHC doit donc être vidé. Les anciens paquets de protons, dont l’énergie totale correspond à peu près à celle dépensée par un avion commercial à l’atterrissage, sont dirigés vers un bloc de béton ou de fer, pour ne pas interférer avec l’expérience. Le LHC est ré-alimenté en protons tout neufs, et peut alors reprendre un nouveau cycle.

Si le LHC se trouve à 100 mètres sous terre, c’est parce qu’une expérience a besoin d’un environnement stable, en somme d’une stabilité géologique. Les physiciens ont estimé qu’à cette profondeur, les interférences de surface, solaires, énergétiques, climatiques, et les écarts de température, ne viendraient pas interférer avec le dispositif mis en place pour l’expérience. Car ici, au CERN, on recherche l’infiniment petit, par l’infiniment précis !

ENERGIE

Pour faire fonctionner le LHC et ses expériences, le CERN utilise une énergie considérable. Mais il est important de signaler également qu’il en réalise une économie importante. En effet, le LHC, sur ses 27 km, fonctionne avec des aimants supraconducteurs. Un aimant surpraconducteur a la propriété de faire circuler dans les bobines un courant qui s’auto-entretient, il est donc alimenté au départ, et s’entretient ensuite tout seul. Comme il n’y a pas de résistance, les aimants ne chauffent pas. D’importantes quantités d’hélium liquide sont utilisées pour faire redescendre la résistivité électrique, et atteindre des températures extrêmement basses. Les 27 km de la machine sont ainsi maintenus à une température d’environ –269 °C, ce qui fait du LHC le plus grand réfrigérateur de l’univers !

CMS et ATLAS, ALICE et LHCb

9906026-A5-at-72-dpiIl y a deux points d’interaction où on obtient le maximum de collisions. Ces deux points symétriques et opposés sur l’anneau du LHC sont les deux grandes expériences universelles : Atlas et CMS. Elles ont des conditions de prises de données totalement similaires, du point de vue des collisions, ce qui permet aux physiciens d’observer la même physique, à deux endroits différents. En clair, les deux expériences sont réalisées pour rechercher les mêmes informations, mais de deux façons.

On a besoin d’avoir dans les 4 expériences (CMS, Atlas, LHCb et Alice) un champ magnétique très intense pour courber les trajectoires de particules. Un aimant est donc à chaque fois utilisé pour conduire le courant. Les expériences ATLAS et CMS ont la même physique, mais elles diffèrent d’un point de vue technique et visuel. Elles utilisent des aimants différents, qui permettent des formes de détection différentes pour mesurer les particules produites par les collisions.
Dans CMS, c’est un aimant solénoïdal supraconducteur ( 4 couches de conducteur superposés et enroulés en spires formant une bobine cylindrique ) qui est utilisé, il est lourd et compact, et permet une mesure plus précise de l’impulsion des muons (particules 207 fois plus lourdes que l’électron), dans la région centrale du détecteur. Son aimant est aussi le plus grand aimant solénoïdal au monde : 6m de diamètre et  12,5m de long pour une masse de 225 tonnes, et un champs magnétique nominal de 3,8 Tesla. Le détecteur CMS comprend 100 millions d’éléments de détections différents, chacun à l’affut de signes révélant de nouvelles particules ou de nouveaux phénomènes. C’est l’un des instruments scientifiques les plus complexes et les plus précis jamais construits.

Le détecteur ATLAS mesure 46 mètres de long pour 25 mètres de haut, il a un aimant toroïde (articulation en selle ou par emboîtement réciproque), il est le plus grand aimant supraconducteur au monde (ces bobines occupent un volume équivalent à celui d’un immeuble de six étages). Il permet de mesurer l’impulsion des muons tout le long de la trajectoire. Une fois sous tension, cet aimant stocke une énergie magnétique de 1,1 GJ, équivalente à celle nécessaire pour soulever la tour Eiffel d’une hauteur de 10 mètres ! C’est l’expérience de physique des particules la plus grande et l’une des plus complexes jamais conçue !

LHCb et Alice sont quant à elles, des expériences spécialisées.

LHCb a été conçu pour étudier les légères asymétries entre matière et antimatière dont est constitué notre Univers. Cette expérience cherche à répondre à la question : où est passée l’anti-matière dans l’univers ? Les collisions de faisceaux de protons sont réalisées sur une cible fixe.
L’expérience Alice étudie les propriétés physiques de la matière soumise à l’interaction forte, à des densités d’énergie extrêmes auxquelles une phase de la matière appelée plasma quarks-gluons se forme. Elles utilisent des collisions entre noyaux d’ions lourds.

DONNÉES INFORMATIQUES

Toutes les données sont importantes pour comprendre le comportement de la matière, les détails doivent être étudiés avec attention et précision. Les expériences sont donc reliées à un système informatique colossal. Chaque année, 10 millions de gigaoctets de données sont produit au LHC dans les 4 expériences, qui correspondent à peu de choses près à une pile de cd de 20 km de long. Cette puissance de calcul considérable est gérée par plusieurs centaines de milliers d’ordinateurs connectés à travers le monde.
Le système informatique mis en place au CERN est capable d’identifier et de trier les caractéristiques des collisions les plus importantes et les plus intéressantes, et de rejeter les autres. Sur les près de 100 000 collisions qui sont analysées par seconde, seules 200 à 300 collisions sont gardées en mémoire, 99,99 % d’entre elles sont rejetées.

Les données sont ensuite envoyées en surface puis au centre de calculs du CERN, où elles sont stockées, et décryptées par les physiciens.

DECOUVERTES POUR LA SANTE

Le CERN a vu au cours de ces 60 dernières années, de nombreuses découvertes de physique expérimentale.

Dans sa course à travers la matière, le Centre Européen de Recherche Nucléaire doit sans cesse inventer de nouveaux procédés pour étudier les atomes qui constituent les planètes, mais aussi les humains. Il y a donc une filiation naturelle entre la physique fondamentale et une instrumentation médicale. La quasi totalité des instruments d’imagerie médicale, comme la tomographie ou l’IRM, sont des conséquences directes de la recherche en physique fondamentale. En effet, comme on reconstitue une image du mouvement d’une particule déviée par un champ magnétique en physique lors d’une expérience au CERN, on est capable de reconstituer une particule du corps humain en médecine. On peut ainsi aujourd’hui soigner des cancers ORL par cyclotrons (qui utilise l’action combinée d’un champ électrique et d’un champ magnétique, afin d’accélérer et de confiner les particules dans un espace restreint), par la radiothérapie (utilisation des radiations pour détruire les cellules cancéreuses en bloquant leur capacité à se multiplier), par l’hadronthérapie ( faisceau de particules qui irradie les cellules tumorales tout en épargnant les tissus sains et les organes), par la protonthérapie (technique de radiothérapie visant à détruire les cellules malignes en les irradiant avec un faisceau de protons à haute énergie).

DECOUVERTES FONDAMENTALES AU CERN

Et puis il y a les découvertes qui parlent un peu moins au commun des mortels, celle du boson de Higgs par exemple. Et pourtant ! C’est une découverte fascinante qui pourrait révéler l’existence de nouvelles structures de la matière.

Le boson de Higgs identifié le 4 Juillet 2012 au CERN, grâce entre autre à l’expérience CMS, correspond à un nouveau « champ ». Le champ de Higgs est celui qui donne la masse aux particules. Au moment du Big Bang, l’univers était opaque, car l’atmosphère qui régnait était trop chaude pour que les atomes se forment. Un millième de milliardième de seconde après le Big-Bang, le champ de Higgs est apparu… les particules ont acquis une masse, l’atmosphère a continué à se refroidir. Près de 300 000 ans après le Big-Bang, les atomes ont pu se former, grâce au champ de Higgs. En effet, on est capable de comprendre aujourd’hui l’origine de la masse. Si l’électron n’avait pas de masse, il ne pourrait pas former des atomes. S’il n y avait pas de champs de Higgs, il n’y aurait pas d’atomes, et s’il n’y avait pas d’atomes, il n’y aurait pas de vie. En résumé, le champ de Higgs permet l’existence des atomes, donc l’existence de la vie.

Cette découverte expérimentale change la façon de concevoir l’origine des interactions, de la substance, et de la matière. Elle pourrait permettre d’expliquer pourquoi la matière domine l’antimatière dans notre monde, comprendre la nature noire qui mène la danse des galaxies dans l’univers ou encore nous révéler l’existence de nouvelles structures de la matière ou de nouvelles forces…

La découverte du boson de Higgs apporte une nouvelle clé à l’équation de l’univers et à la compréhension de sa gestion. C’était un des objectifs de CMS et ATLAS.

Mais au fur et à mesure que le CERN avance, physiciens et techniciens réalisent qu’il y a d’autres clés à trouver pour comprendre d’autres phénomènes, et l’univers qui nous gère… La recherche avance à l’échelle de la capacité humaine. Les découvertes du plus grand centre de physique des particules au monde n’ont donc pas fini de nous surprendre. Et il est fascinant de penser que l’avenir a tant d’autres secrets à reveler sur l’origine du monde…

Expérience CMS
Expérience CMS ©CERN 

PORTES OUVERTES

Au Cern, une expérience vit par ses mises à jour.
Pendant deux ans, le LHC est donc arrêté pour cause de maintenance.

C’est donc l’occasion pour tous, de pénétrer au plus près du LHC et de ses expériences!

Les samedi 28 et dimanche 29 septembre 2013, le CERN organise des Journées Portes Ouvertes. De 9h00 à 20h00, les visiteurs pourront rencontrer les chercheurs, ingénieurs et techniciens du CERN et découvrir leurs laboratoires, halls techniques, expériences et accélérateurs, quelques 40 points de visites seront accessibles. Une visite exceptionnelle en surface mais aussi à 100 mètres sous terre, à ne surtout pas manquer !

Réservations sur www.opendays2013.web.cern.ch .