14/09/2012 - Première collision de protons avec des ions lourds dans le LHC

Menéame

Le LHC (Grand Collisionneur d’Hadron) a réussi à surmonter des défis technologiques importants pour brouiller des protons contre des noyaux de plomb pour la première fois. Ces expériences, qui seront étendues en 2013, permettront d’approfondir la connaissance de la structure de la matière à très haute énergie.

Jeudi dernier au CERN, 1h26, le grand Collisionneur d’Hadron (LHC) a testé les collisions de protons avec des ions de plomb Pour la première fois. Le passage à la collision de différents types de particules (protons contre noyaux, composés également de neutrons) au lieu de le faire entre particules égales (proton-proton) présente d’importants défis techniques.

Le type de collisions éprouvée cette semaine, qui se produiront réellement de janvier à février 2013 - avant le "coupon" du LHC pour son entretien - approfondit le étude de la matière dans des conditions extrêmes à très haute énergie, recréer des conditions qui se sont produites immédiatement après le Big Bang.

Le physicien des accélérateurs et le chef de l’équipe d’ions au plomb du CERN, John Jowett, souligne les difficultés techniques: "Tout d’abord, les collisions sont asymétriques dans l’énergie, ce qui constitue un défi pour les expériences. Au niveau de l’accélérateur, nous ne voyons pas vraiment la différence de taille des particules, mais la différence de la taille du faisceau, et le fait que la taille change à différentes vitesses, peut affecter la façon dont les particules se comportent dans les collisions."

D’autres défis se posent. Le LHC accélère habituellement deux faisceau de protons dans des directions opposées (de 0,45 téraélectronvolt à 4 TeV) avant de les faire entrer dans une énergie totale de 8 TeV. Les cavités de radiofréquence (RF), composants de l’accélérateur contenant des champs électromagnétiques qui actionnent les particules, fournissent l’énergie et maintiennent les deux faisceau dans une synchronie stricte, les faisant reculer si nécessaire.

Le problème se pose parce que les anneaux indépendants par lesquels les deux faisceau circulent sont contenus dans un seul aimant, un système qui relie le moment d’un faisceau à celui de l’autre. Mais les particules ont des vitesses différentes: un noyau de plomb, qui contient 82 protons, est accéléré de 36,9 à 328 TeV, tandis qu’un proton le fait de 0,18 à 1,58 TeV.

Pour compenser ces différences de vitesse entre les protons et les ions de plomb, il est nécessaire d’accorder les cavités de radiofréquence à différentes fréquences pour chaque faisceau. "Les systèmes RF des deux anneaux ne peuvent être synchronisés qu’à l’énergie maximale avant les collisions, lorsque la petite différence de vitesse entre les deux types de particules peut être absorbée par de légères modifications des orbites," explique Jowett.

Le plus compliqué pour le LHC

Selon Carlos Salgado, physicien théorique de l’Université de Santiago de Compostelle au CERN, ce jeu de synchronisation des vitesses et des courbures des fais "est le système le plus compliqué à obtenir dans le LHC." Dans le cas du collisionneur RHIC du Laboratoire National de Brookhaven (États-Unis), il y a également des collisions entre des ions lourds (dans ce cas, des noyaux d’or), mais ils sont plus faciles à produire puisque les aimants sont indépendants, ce qui permet de mieux synchroniser les vitesses et les courbures du faisceau.

Auparavant, des protons avaient été heurtés contre des noyaux fixes, et non en mouvement. "Et c’est la première fois qu’il y a collisions entre protons et noyaux lourds," souligne le chercheur, qui souligne deux profits: "Tout d’abord, il sert à calibrer les mesures effectuées lors des collisions entre ions lourds déjà expérimentées par le LHC en 2010 et 2011. Ce type de collisions vise à reproduire le soi-disant "plasma de quarks et de gluons," la "soupe" primaire de la matière qui aurait dû exister immédiatement après le Big Bang et pour lequel se produisent des températures extrêmes, 100 000 fois plus que l’intérieur du soleil".

D’autre part, "ce type de collisions sert à étudier le comportement de la matière à très haute énergie" comme celles qui ne sont capables de produire que l’accélérateur du CERN. Cet état particulier de la matière a des caractéristiques prédites par la théorie, mais jamais observées auparavant.

Pour la première fois également, l’expérience LHCb a été associée à ATLAS, CMS et ALICE, expériences qui étudient les collisions entre ions lourds, dans la collecte de données. Pour Salgado, les caractéristiques de cette expérience, conçue pour étudier les différences entre matière et antimatière, en font un instrument intéressant pour analyser ce nouveau type de collisions réalisé par le LHC.

La participation espagnole aux quatre principales expériences du LHC est coordonnée et encouragée par le Centre National de Physique des Particules, Astroparticules et Nuclear (CPAN), projet Consolider-Ingénio 2010.

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