Démarrage du LHC

A la recherche du Big Bang

Guy Duplat

Mis en ligne le 10/09/2008

Quatre grandes expériences ont lieu le long du trajet du LHC. Des machines, lourdes comme la Tour Eiffel, doivent traquer les particules.

Le long de l'anneau du LHC, on a placé quatre expériences. Deux d'entre elles - le CMS avec, entre autres, les scientifiques belges et Atlas - sont directement liées à la recherche du boson de Higgs (lire à la page suivante), car on veut éviter tout biais en dupliquant l'expérience avec des appareils différents.

Les deux autres expériences sont "Alice", destinée à étudier l'état initial de la matière après le Big Bang, quand les quarks n'étaient pas emprisonnés dans les protons et les neutrons et se déplaçaient librement dans un plasma de quarks et de gluons; et le LHCb qui étudiera un des grands mystères de la physique : pourquoi notre univers n'a-t-il plus d'antimatière alors que le Big Bang avait créé autant de matière que d'antimatière ? Quelle est l'origine du très léger surplus (une particule sur un milliard) de matière qui est à la base de notre univers ? On cherche au LHCb à déceler les infimes différences de comportement entre la matière et l'antimatière.

Comme la Tour Eiffel

Le détecteur Atlas, gigantesque machine avec ses énormes aimants, un cylindre de 25 m de diamètre pour 46 m de long, soit la moitié du volume de Notre-Dame de Paris et un poids égal à celui de la Tour Eiffel, est logé au fond de sa caverne, grande comme une cathédrale. Pour l'y installer, on a dû dégager 300 000 tonnes de roches et couler 50 000 tonnes de béton.

Le CMS (solénoïde compact à muons), à lui tout seul, pèse 12 500 tonnes. Son grand aimant supraconducteur peut stocker une énergie équivalente à celle d'un TGV lancé à pleine vitesse. Il s'agira au CMS de détecter "le" boson de Higgs qu'on espère voir chaque jour dans un ensemble de 600 millions de collisions par seconde, avec une énorme énergie accumulée dans les protons et qui se transforme en particules diverses selon l'équation d'Einstein E = MC2.

Autour du point d'impact sont disposés, en couches d'oignon, différents détecteurs qui "marquent" les trajectoires des particules, leurs types et leurs énergies. Ce sont d'abord des "trackers" électroniques sur des plaques de silicium, comme des chips minuscules capables d'enregistrer l'impact de particules chargées. Puis ce sont des capteurs en cristaux ultra-purs de tungstène de plomb, réalisés en Russie dans d'ex-usines d'armement, puis des détecteurs à muons.

Deux mille scientifiques, venus de 36 pays différents, dont 50 physiciens belges de l'UCL, ULB, Mons, VUB et Anvers, travaillent sur ce seul détecteur CMS. On l'a déjà testé en étudiant le passage des rayons cosmiques, ces particules très énergétiques qui arrivent sur terre à chaque instant. L'UCL a participé à la construction des bouchons cylindriques chargés de détecter les envolées de particules et eux-mêmes composés de "pétales", des pièces d'aluminium bourrées de 30 modules de silicium qui réagiront au passage des particules et créeront un signal électrique analysable par les batteries d'ordinateurs.

L'invention du Grid

L'informatique est chargée de reconstituer les trajectoires qui seront ensuite analysées dans les laboratoires des universités participantes (dont les six universités belges branchées sur le réseau du Cern). Le détecteur et ses logiciels permettent de faire directement un premier tri parmi les 600 millions de collisions chaque seconde. Tout est enregistré dans une mémoire tampon près du "tracker" et un détecteur à muon indique si l'événement a une chance d'être le bon. On ne garde alors que les collisions qui ont une chance de comprendre un Higgs, soit cent événements seulement par seconde. Ces "bons" événements sont alors traités et stockés avant d'être dispatchés dans le monde pour être étudiés.

Même après ce "tri", le volume des données à stocker reste gigantesque. Si on les stockait dans des DVD, elles formeraient chaque année une pile de 20 millions de DVD !

Pour analyser une telle masse, le Cern a développé le "Grid", une formidable extension d'Internet qui permet de mettre en commun virtuellement les capacités de calcul et de stockage d'ordinateurs partout dans le monde, comme s'ils ne faisaient qu'une seule machine.

Le "Grid" est qualifié de l'Internet du futur.

Savoir Plus

Le champagne est prêt

Pascal Vanlaer est un ingénieur civil physicien sorti de l'ULB en 1993. Il a terminé ensuite une thèse en physique, déjà sur le développement des techniques de détection par le LHC. Car, fait rare, il travaille déjà depuis 15 ans sur le LHC ! On peut comprendre qu'il trouve ces moments" très excitants". "Les détecteurs sont prêts. Tout le monde est content, le champagne est placé dans les salles de contrôle. Mais la complexité de l'opération réalisée est impressionnante. Moi, je ne serai pas, ce mercredi, dans la salle de contrôle du détecteur CMS mais je suivrai tout au Cern, sur les écrans à distance. Il faudra attendre une semaine ou deux pour enregistrer les premières collisions. Mais déjà, nous devrions capter le halo muonique, c'est-à-dire la collision des protons avec le gaz résiduel dans le vide des tubes". Il a travaillé plusieurs années à développer le trajectographe. Son travail, à mi-chemin entre physique théorique et physique expérimentale, a constitué à établir des modèles sur ce qui pourrait se passer dans le détecteur. Selon les hypothèses - création d'un Higgs, apparition d'une dimension cachée de l'univers, etc. - il étudie comment cela se manifesterait dans le détecteur. Il a réalisé, avec d'autres, des "modèles" que les expérimentateurs pourront confronter aux résultats réels afin de dénicher les particules à partir des traces enregistrées. Avec son groupe à l'ULB, il continuera dans les années à venir à exploiter la mine de renseignements qui sortiront des expériences du LHC.