La FAQ du LHC

Quelques questions fréquemment posées à propos du LHC du CERN :

  • C'est quoi, un hadron ?
  • D'où viennent les protons ?
  • Combien y'a-t-il de protons qui tournent ?
  • Combien de temps les protons passent-ils dans l'expérience ?
  • MeV, GeV, TeV ???
  • Violent comme une collision de moustiques ... ou de trains ?
  • Comment font les protons pour tourner dans des sens différents ?
  • ALICE

C'est quoi, un hadron ?

Logiquement, le LHC aurait pu s'appeler LPC, pour "large proton collider" parce qu'on y fracassera prochainement des protons les uns contre les autres. Mais plus tard, on va également y accélérer des noyaux de plomb, formés de protons et de neutrons. Les protons et les neutrons appartenant à la famille des hadrons (ce sont plus précisément des baryons), on a trouvé que LHC, ça sonnait bien. Moi j'aurais préféré un nom plus poétique comme "tournicoton" ou "femto-banger", mais on ne m'a pas demandé mon avis.

D'où viennent les protons ?

Le proton forme le noyau de l'atome le plus simple : l'hydrogène, qui est aussi de loin l'élément le plus abondant dans l'Univers. On en injecte un tout petit peu dans le "Duoplasmatron Proton Ion Source" dessiné ci-dessous par le "Gas feed". Dans la "plasma chamber", l'hydrogène est tellement chauffé par un arc électrique que les protons et les électrons qui leur tournent autour se séparent.

schéma du Duoplasmatron Proton Ion Source du CERN. (Cliquer dessus pour agrandir)

Au milieu de ce plasma se trouve la cathode et au bout du canal étroit, l'anode. Entre les deux on applique par impulsions une tension de 92'000 volts, ce qui accélère les protons en direction de la droite, et les électrons vers la gauche, où ils se font manger. Les électroaimants en vert servent à regrouper les protons le plus possible en un faisceau, mais ils arrivent par gros paquets à l'anode. L' "expansion cup" les dilue un petit peu, de sorte qu'à la sortie on a de beaux trains de proton.

Tout ça n'est pas gros du tout, voici une photo du dispositif avec une bouteille d'hydrogène qui devrait suffire pour quelques années de fonctionnement :

Combien y'a-t-il de protons qui tournent ?

Il y a 2808 paquets de protons qui tournent en même temps dans le LHC dans chaque sens, et chaque paquet contient 100 milliards de protons. Au total, il y a un dix-milliardième de gramme de protons répartis sur les 27km de tube.

Combien de temps les protons passent-ils dans l'expérience ?

Quand un proton quitte sa source, il traverse un premier petit accélérateur linéaire, le "linac" qui l'accélère à 50 MeV en quelques microsecondes, et entre dans le "Proton Synchroton Booster" (PSB) qui l'accélère à 1.4 GeV en 530 millièmes de seconde. Puis il est injecté dans le "Proton Synchroton", un accélérateur de 628m de circonférence datant de 1959. Là il est accéléré pendant environ 1 seconde. Il est déjà presque à la vitesse de la lumière, donc il parcourt 300'000 km pendant ce temps, doit près de 500'000 tours. Dans certains cas, le proton reste encore 1 seconde de plus avant d'être passé au SPS. Le "supersynchroton à protons" est un accélérateur de 7km de périmètre datant de 1976 ou les paquets de protons attendent entre 10.8 secondes et 0 secondes, ce qui permet de regrouper 4 paquets venant du PSB en un seul, prêt à passer dans le LHC. Jusqu'ici les protons ont passé entre 6 et 18 secondes environ dans l'antichambre de la bête.

Puis, les 2808 paquets de protons sont injectés un à un dans chaque sens du LHC pendant 20 minutes à une énergie de 450 GeV et quand ils se suivent bien gentiment à une distance de 7.5 mètres les uns des autres et que tout est stable, on met la gomme pendant 25 minutes pour atteindre les 7 TeV

MeV, GeV, TeV ???

L' électron-volt (eV) est une unité à tout faire. A la base, c'est la minuscule énergie d'un électron accéléré par une tension de 1 Volt. Mais selon la célèbre équation d'Albert E=mc2 lue à l'envers, m=E/c2, la masse d'une particule peut aussi être mesurée en électron-volt (divisés par la vitesse de la lumière au carré, mais on laisse souvent tomber ce détail). Ainsi, un proton au repos à une masse de .938 GeV (Giga-électron-volt) et dans le LHC on l'accélère à 7 TeV (Tera-électron-volt) soit 7000 GeV.

Comme Albert s'obstine à dire que l'énergie et la masse c'est la même chose à un facteur près, ça signifie qu'à la vitesse correspondant à cette énergie (99.999999% de la vitesse de la lumière, "huit neufs" comme j'appelle ça dans "accélération"), tout se passe comme si le proton pesait plus de 7000x son poids au repos. Le choc n'en sera que plus violent.

Violent comme une collision de moustiques ... ou de trains ?

Même multipliée par 7000, la masse d'un tout petit proton n'est que de 1.2477-23 Kg, mais il va très vite. En se fracassant contre un autre l'énergie libérée est de 226'961 Joules, soit 0.063 KWh pour parler en unités d'énergie plus habituelles. C'est vraiment pas beaucoup, mais c'est extraordinairement concentré dans un minuscule pouillème d'espace.

D'un autre côté, le LHC devrait produire environ 2 milliards de telles collisions par seconde, et ça, ça correspond à une puissance telle que j'ai du me planter quelque part dans les calculs...

(La suite date du16/9/2008)

Heureusement Benjamin est venu à la rescousse : On parle de 600 millions de collisions par seconde. Au maxium, une collision est de 14 TeV (2 fois 7 TeV). 1 eV est égale à 1,602e-19 Joule. On obtient alors par seconde :

14e12*1,602e-19*600e6 = 1 345 Joules / sec = 1 345 Watt

Donc le LHC fournit une puissance (de collision) égale à environ 1,3 kW… Pas de quoi fouetter un chat mais c’est fabuleux quand on regarde la masse d’un proton.

Concernant l’énergie d’un faisceau LHC à 7 TeV, on obtient pour les 2808 bunches contenant 100 milliards de protons:
2808*100e9*7e12*1.602e-19 = 314 889 120 Joules

Donc l’énergie contenu dans le faisceau est de 350MJ (ca fait un TGV de 400 tonnes à 150 km/h).

L’énergie emmagasinée dans les aimants supraconducteurs pour faire tourner et focaliser les faisceaux est quant à elle gigantesque : On obtient un total de 11 GJ dans les aimants du LHC (de quoi faire fondre une demi tonne de cuivre).

Comment font les protons pour tourner dans des sens différents ?

D'abord, comme on le voit sur une figure précédente, les protons accélérés dans un seul sens dans le SPS sont transférés au LHC par deux chemins différents illustrés en rouge.

Pour tourner en rond dans les deux sens, les faisceaux de protons doivent être courbés par 1232 aimants "dipolaires"à supraconducteurs extrêmement puissants (8.3 Teslas, 11'850 Ampères, 35 tonnes / pièce ...), mais qui doivent générer des champs inverses pour les deux directions .

Comme on le voit sur la coupe ci-contre, il y a en réalité 2 bobines supraconductrices pour chaque sens de circulation, avec des pôles N et S inversés, ce qui crée des lignes de champ illustrées sur l'image suivante :

Ce qui peut paraitre surprenant aussi c'est que le champ est orienté haut/bas et pas horizontal. Il faut se souvenir que ce n'est pas le proton qui est attiré par l'aimant, mais que c'est le courant électrique créé par son déplacement linéaire qui interagit avec le champ magnétique de l'aimant, ce qui crée sur les protons une force perpendiculaire au déplacement par la règle du tire-bouchon.

A noter que ce ne sont pas des aimants qui accélèrent les protons, mais des "cavités accélératrices" dans lesquelles règne un champ électrique de 6000V/m. Chaque cavité ne fonctionne que sur un seul sens.

(La suite date du20/9/2008)

ALICE

ALICE est l'un des 4 détecteurs installés aux 4 points ou les faisceaux se croisent. "Alice", c'est l'acronyme de "A Large Ion Collider Experiment" : une expérience de collision de grozions gros ions. Les ions en question sont des noyaux de plomb contenant 82 protons que le LHC accélèrera une fois par mois environ au lieu de protons.

L'énergie des noyaux sera de 82 x 7=574 Tev, mais ça ne fait "que" 574/208 = 2.76 TeV par nucléon, à cause des neutrons. On aura donc des collisions plus énergétiques, mais des densités d'énergie moins élevées. Le but d'ALICE est d'étudier la purée quarks+gluons, en particulier des questions comme :

  • A quoi ressemble la matière chauffée à 100'000 x la température au centre du soleil ?
  • Pourquoi les protons et les neutrons pèsent 100x plus lourd que les 3 quarks dont ils sont constitués ? (et ça c'est une vachement bonne question...)
  • Peut-on libérér les quarks collés (par les gluons) dans les protons et les neutrons ?

D'autres questions ?

Posez-les dans les commentaires et on tentera d'y répondre.

Références:

  1. C.E. Hill "ION AND ELECTRON SOURCES" CERN, Geneva, Switzerland
  2. LHC facts and figures
  3. LHC machine outreach
  4. l'inévitable Wikipedia
  5. aimants et accélérateurs au cea : plein d'illustrations intéressantes
  6. Alice et le plomb
  7. Alice au CERN et aussi ici en anglais
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  • Yves Masur

    Une chose m’étonne dans la génération de paquets de protons:
    « Les électroaimants en vert servent à regrouper les protons »
    Est-ce à dire qu’ils sont sensibles au champ magnétique? Je croyais jusqu’ici que seuls les électrons y étaient soumis. un coup d’œil dans wikipédia n’éclaire pas ce point.

  • http://goulu.net Dr. Goulu

    Les protons sont des charges positives, en se déplaçant ils créent un courant électrique que l’on peut heureusement diriger avec des champs magnétiques.

    Ce sont d’ailleurs les plus puissants aimants disponibles actuellement qui créent la force centripète qui maintient les protons sur une trajectoire circulaire dans le tunnel.

    Pour la source, la référence [1] donne pas mal de détails au paragraphe 3.3 et ils disent : « A solenoid surrounding the plasma chamber provides the field for magnetic compression in the constriction canal. The expansion cup is rather deep and contains an additional small solenoid to fine trim the plasma characteristics. »

  • http://science-for-everyone.over-blog.com/ Benjamin Bradu

    Concernant les calculs d’énergie…

    On parle de 600 millions de collisions par seconde. Au maxium, une collision est de 14 TeV (2 fois 7 TeV). 1 eV est égale à 1,602e-19 Joule. On obtient alors par seconde :

    14e12*1,602e-19*600e6 = 1 345 Joules / sec = 1 345 Watt

    Donc le LHC fournit une puissance (de collision) égale à environ 1,3 kW… Pas de quoi fouetter un chat mais c’est fabuleux quand on regarde la masse d’un proton.

    Concernant l’énergie d’un faisceau LHC à 7 TeV, on obtient pour les 2808 bunches contenant 100 milliards de protons:
    2808*100e9*7e12*1.602e-19 = 314 889 120 Joules

    Donc l’énergie contenu dans le faisceau est de 350MJ (ca fait un TGV de 400 tonnes à 150 km/h).

    L’énergie emmagasinée dans les aimants supraconducteurs pour faire tourner et focaliser les faisceaux est quant à elle gigantesque : On obtient un total de 11 GJ dans les aimants du LHC (de quoi faire fondre une demi tonne de cuivre).

  • http://www.memepasmal.net gael

    Merci beaucoup pour cette explication qui change des nouvelles alarmistes de fin du monde (comment ça j’y ai participé?), ça aide à comprendre un peu ce qui se passe dans le ventre de la bête. :-)

  • http://goulu.net Dr. Goulu

    @Benjamin : merci pour ces précisions, moi j’arrivais à des Gigawatts pour les collisions, me disais bien que j’avais faux mais je devais prendre un train…

    J’ai vu 600 millions de collisions par détecteur, donc multiplié par les 4 emplacements ou les faisceaux se croisent pour obtenir 2 Milliards par secondes, en étant pessimiste. (je viens de comprendre : on ne fait des collisions que dans un détecteur à la fois, donc ok pour 600 millions)

    me suis demandé aussi pourquoi 2808 et pas 2800, 2812, 1548 ou un autre multiple de 4 ? tu sais ?

  • http://science-for-everyone.over-blog.com/ Benjamin Bradu

    Je n’ai pas de réponse précise mais je pense que c’est une limitation technologique. Plus il y a de bunches (ou paquets en francais) dans un faisceau, plus on a de chance de faire des collisions (on dit qu’on augmente la luminosité du faisceau) car la taille des bunches dépend directement de la taille des cavités RF et n’est donc pas modifiable.

    2808 bunches de quelques centimètres de long, ca fait un « trou » de 25ns entre 2 bunches (soit 7mètres).
    Il y a évidemment des « trous » plus grands à certains endroits pour permettre l’ejection du faisceau en cas de problème par les kickers. Le 2808 doit correspondre au maximum de bunches acceptable dans la machine… On peut évidemment en faire tourner 2800, 2000, 1000, ou 4…

    S’il y avait plus de bunches, il seraient à mon avis trop près les uns des autres pour pouvoir les manipuler facilement et cela poserait des problèmes aux points de collisions. Dans le LEP (l’ancien accélérateur du CERN), il y avait 4 bunches par faisceau !

  • http://goulu.net Dr. Goulu
  • http://Tpe-energie.com hackFr0sT (Alexis Voisin)

    Je trouve scandaleux que des personnes n’y connaissant absolument rien en physique, ou ayant des connaissances fortement limités, viennent critiquer et dénoncer ce fabuleux projet qui est le LHC.
    C’est la machine la plus complexe construite à ce jour par l’homme, elle nous permettra d’ici quelques années de faire des découvertes phénoménales et pourquoi pas remettre en question toutes nos conceptions de l’Univers, et même « réinventer » une « nouvelle physique » (bien qu’assez peu probable).
    Les craintes quant aux trous noirs ou worm holes que le LHC provoque sont absolument infondées.
    Des gens n’y connaissant strictement rien en ce domaine viennent critiquer des théoriciens en astrophysique, théories des cordes / supercodes / etc ..
    On se plaint que les sciences soient un peu « exclues » du grand public (quoique depuis ces dernières années les médias diffusent de nombreux magasines et emissions TV de qualité excellente) mais dès qu’on parle d’un projet « fou » (oui le LHC un projet fou !) les gens ont peur.
    Je ne suis qu’en Terminale S (spé maths en plus même pas spé physique ^^) mais je réaffirme encore une fois que je trouve anormal que ce projet soit autant critiqué .. (en plus, on l’a construit sous-terre, ca gêne pas le paysage ^^ [enfin c'est surtout pour qu'il soit bien protégé des différentes 'agressions' et pour éviter un cout de construction abbérant])
    Sur ce, vive le LHC !

  • http://goulu.net Dr. Goulu

    @Alexis : bienvenue au club. Ce sujet a été abondamment traité ici, entre autre dans l’article « Nostradamus et les Catastrophysiciens« 

  • http://www.enroweb.com/blogsciences/ Enro

    @Alexis : « on se plaint que les sciences soient un peu “exclues” du grand public (…) mais dès qu’on parle d’un projet “fou” (…) les gens ont peur. »

    Quand les gens ont peur et que les médias couvrent en masse le sujet, cela signifie que la science est de retour parmi le grand public, non ? Du coup, je ne saisis pas bien où tu vois un paradoxe et pourquoi tu utilises la conjonction « mais »…

  • http://Tpe-energie.com hackFr0sT (Alexis Voisin)

    Désolé doc.Goulu, je suis tombé « par hasard » sur cette page et je n’avais pas vu “Nostradamus et les Catastrophysiciens“.

    @Enro : Tu penses que faire peur aux gens, ou leur montrer toute la complexité d’un projet, celà va permettre au grand public d’avoir un peu plus intêret pour la science ? Je ne pense pas, les gens ont besoin au contraire d’être rassurés et informés, le grand public ne voit pas l’intêret de la science au quotidien (et ils ont tort ! Parceque c’est pas grâce aux littéraires qu’on vit comme on peut vivre aujourd’hui !).
    Les gens ne voient pas plus loin que le bout de leur nez, ou de leur intêret personnel, alors tu penses bien que 2 particules se rencontrant dans un collisionneur de 27km de circonf’, mis a part le fait qu’ils ont entendus qu’on pourrait détruire la Terre avec ca, ils n’en voit pas l’utilité.

    Sans rentrer dans des théories complexes, il faudrait prendre le temps de faire aimer les sciences, leur redonner un peu d’intêret, un peu de concret, le grand public veut voir des applications concrêtes, faut être patient c »est tout ^^ (Par exemple dans ma classe un type censé avoir un niveau Term S (en plus il est en spé maths..) qui sait pas ce que c’est une asymptote, ca ca fait vraiment très peur !)

  • PIR

    Bonjour,
    question de novice: Comment font les protons pour tour,er dans des sens différents avec une seule direction de champ magnétique.
    merci

  • http://goulu.net Dr. Goulu

    @PIR : Excellente question qui justifie la mise à jour de la FAQ. J’y ai donc ajouté ce jour la précision de Benjamin et la réponse à ta propre question

  • PIR

    Merci pour cette réponse. Il y a donc deux espaces superposés, un pour un sens et un pour l’autre. Lors des collisions, on s’arrangera pour incurver les 2 faiseaux par un champ horizontal cette fois. Est-ce correct ?

  • http://goulu.net Dr. Goulu

    @PIR : non, pas tout à fait : les deux faisceaux passent au milieu des aimants supraconducteurs de la figure, là où le champ est le plus intense. Ils sont côte-à-côte, dans un plan horizontal.

    Pour diriger les faisceaux avec précision vers le point de collision, on utilise des aimants quadripoles qui permettent de créer aussi un champ horizontal, qui va donc dévier les protons dans le plan vertical. Ces aimants ressemblent pas mal aux dipoles, sauf au niveau des bobines supraconductrices que l’on voit bien sur une photo ici : http://irfu.cea.fr/Sacm/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_visu.php?id_ast=2375

  • PIR

    Non, 2 espaces à même hauteur. Les 2 rayons sont donc différents (selon cette explication et le schéma) et l’incurvation pour la collision doit donc être causé par une augmentation ou diminution du champ magnétique.

  • http://goulu.net Dr. Goulu

    10 cm sur un rayon de 4.3 km, ça fait pas une grosse différence… mais les 2 jeux de bobines sont commandées indépendamment, donc oui, il doit passer quelques milliampères de plus dans les bobines internes ;-)

  • PIR

    Merci pour ces précisions. J’en profite pour poser une 2me question. Ai-je bien compris qu’il y a 2 expériences distinctes: une fois avec des noyaux de plomb (atome ionisé) et une autre avec des protons (hydrogène ionisé) ?
    merci

  • http://Tpe-energie.com hackFr0sT (Alexis Voisin)

    Il me semble que les premières collisions de test seront réalisées avec des protons (hydrogène ionisé comme tu dit ) mais je ne suis pas certain.
    Par contre je n’ai pas entendu parler des expériences avec noyeaux de plomb, Docteur va nous en dire plus ;)

  • http://goulu.net Dr. Goulu

    Ouaip : une bonne raison d’étendre la FAQ avec un chapitre sur ma copine Alice

  • PIR

    Hé bien justement, la question « Pourquoi les protons et les neutrons pèsent 100x plus lourd que les 3 quarks dont ils sont constitués ? (et ça c’est une vachement bonne question…)  » présentée dans le FAC mériterait une petite explication. Comme il faut fournir de l’énergie pour séparer les quarks (système lié et energie de liaison négative, on pourrait penser que la somme des masses des quarks pris isolément doit être plus grande que celle du proton ou neutron !!! L’erreur vient d’une stricte comparaison avec des système gravitationnelle ou électrique mais alors comment interpréter cela ?

  • http://Tpe-energie.com hackFr0sT (Alexis Voisin)

    Yop les amis, je me demandais pourquoi après la fuite d’Helium au LHC, c’est aussi long de réchauffer la zone de fuite pour permettre les réparations (en effet, j’ai lu 2 mois d’arrêt, 3 semaines pour réchauffer, 1 semaine seulement de réparation, et 1 mois pour refroidir).

  • http://goulu.net Dr. Goulu

    @PIR : bon, je voulais écrire une FAQ du LHC, pas une RAQ (rarely asked questions) sur la physique théorique, mais je vais tenter de te répondre simplement. Si le LHC n’avait qu’un seul but, ce serait celui de comprendre comment la masse « apparait », parce qu’on sait depuis un bout de temps que quelque chose cloche : les masses des particules ne s’additionnent pas toujours, même en tenant compte de l’énergie de liaison.

    La théorie à la mode, c’est le « champ de Higgs » avec le « boson de Higgs« , proposé des 1964 mais qu’on a pas encore trouvé expérimentalement. En gros les bosons de Higgs seraient des particules remplissant l’espace en n’interagissant avec rien d’autres que certaines particules auxquelles ils se colleraient, créant une sorte de frottement avec le champ de Higgs, frottement que nous appellons « inertie ».

    Et si j’ai bien compris, en créant des chocs à très haute énergie, on devrait arriver à voir ces bosons de Higgs à l’oeuvre …

  • http://goulu.net Dr. Goulu

    @hackFr0st : oui, ça m’a surpris aussi, surtout le temps de réchauffage. C’est peut-être du aux dilatations, les aimants étant constitués de divers matériaux … Mais en fait je n’en sais rien et je n’ai rien trouvé sur le web … Quelqu’un sait ?

  • PIR

    Merci pour cette réponse Doc.
    J’avais bien compris le rôle du Higgs mais sans que ce soit l’explication de ce que je trouve paradoxal. Mais en fait comment connaitre la masse d’un quark puisqu’on ne parvient pas à l’isoler.
    NB: si mes questions sortent du cadre de cette FAQ, faut pas hésiter à me le dire.
    Encore merci

  • Curly

    Bonjour !
    J’arrive bien après les dernières réponses, j’espère qu’il n’est pas trop tard pour poser une question.
    Les protons circulent bien dans deux tuyaux réellement distincts, pour les faire se rentrer dedans, on croise donc les tuyaux non ?

    Merci d’avance et désolé du retard !

  • http://goulu.net Dr. Goulu

    @Curly : exact. Il y a 4 expériences sur le tour du LHC, donc autant de points de croisement. De chaque côté de chaque expérience, des aimants quadrupoles focalisent le faisceau sortant en direction du point de collision, et récupèrent le faisceau entrant en sens inverse. Entre les deux aimants quadrupoles, je crois qu’il n’y a qu’un seul tube, ou alors les deux tubes sont soudés pour fusionner, je ne sais pas exactement et je n’ai pas trouvé de photo …

  • lolo

    Bonjour,
    Je suis entrain de faire une étude sur le LHC pour mes cours et quelques principes de fonctionnement m’échappent.
    J’aimerai savoir comment sont envoyés les faisceaux de protons et comment fonctionnent les cavités accélératrices.
    Si quelqu’un peut m’aider….
    merci a tous

  • http://drgoulu.com Dr. Goulu

    Tombé par hasard sur une excellente brochure au format pdf qui reprend (en plus complet) tous les points ci-dessus et bien d’autres: « CERN FAQ : Guide du LHC« 

  • Patate

    Bonjour,

    Je me demandais ce qui justifie le choix du plomb parmi tous les noyaux lourds pour les collisions. Est ce que quelqu’un a une idée ?

    • http://drgoulu.com Dr. Goulu

      Excellente question. je n’ai rien trouvé en français, mais http://alicematters.web.cern.ch/?q=FAQ-why-lead-ions fournit une réponse assez détaillée. Apparemment les ions intéressants sont les plus gros, mais il faut aussi qu’ils aient une géométrie sphérique et que l’élément n’ait qu’un isotope stable. Ca fait pas mal de contraintes