Le collisionneur LHC

Le collisionneur LHC sera installé dans le tunnel du LEP dont la circonférence est de 26,7 km et qui est enterré à une profondeur variant entre 50 et 170 m. Il bénéficiera de la chaîne d'accélérateurs du CERN (figure ) : les protons sont accélérés par paquets dans l'accélérateur linéaire (LINAC2) jusqu'à 50 MeV, puis dans le Booster jusqu'à 1 GeV, ensuite dans le synchrotron à protons (PS) jusqu'à 26 GeV, et enfin dans le super synchrotron à protons (SPS) jusqu'à 450 GeV avant d'être injectés dans le LHC en deux faisceaux de sens contraire accélérés à une énergie de 7 TeV par proton, ce qui donne une énergie maximale dans le centre de masse de 14 TeV.

Les performances d'un tel accélérateur sont décrites par deux grandeurs caractéristiques : l'énergie dans le centre de masse et la luminosité. Pour atteindre des énergies et une luminosité jamais obtenues jusqu'à présent, le LHC fait appel à une technologie de pointe dans de nombreux domaines.

Il faut tout d'abord réussir le pari d'accélérer des particules à une énergie de 7 TeV, et de garder, à cette énergie, ces 2835 paquets de $10^{11}$ protons chacun pendant une dizaine d'heures. Ensuite, les deux faisceaux de protons sont accélérés, dans le même anneau, dans deux tubes à vide en acier inoxydable situés à quelques centimètres l'un de l'autre. L'une des premières prouesses technologiques est le vide extrême nécessaire afin d'éviter les collisions parasites de protons avec une molécule de gaz.

Il faut ensuite maintenir les paquets de particules sur la trajectoire de l'anneau. Pour cela, le LHC va utiliser environ 10 000 aimants supra-conducteurs afin de courber la trajectoire des particules, ainsi que des quadrupôles et octupôles pour focaliser les paquets dans le tube à vide. La totalité de la trajectoire des particules dans l'accélérateur doit être refroidi par de l'hélium liquide dont la température est de 1,9 K, destiné au refroidissement des aimants supraconducteurs.

Figure: La chaine d'accélération du LHC.

Le LHC va fonctionner à une fréquence de croisement des faisceaux de 40 MHz. Un système radio-fréquence accélère les faisceaux en leur appliquant des impulsions répétées à une fréquence de 400 MHz qui leur confère une structure en paquets. En utilisant un paquet sur 10, on obtient un intervalle entre les paquets de 25 ns, soit une fréquence de croisement de 40 MHz.

Dans son mode principal de fonctionnement, le LHC produira des collisions proton-proton avec une luminosité maximale, $L_0$. La luminosité permet de calculer le nombre d'événements attendus par unité de temps ($N$) et pour un processus donné: $N = L_0 \sigma$ où $\sigma$ est la section efficace du processus considéré. La luminosité s'exprime de la façon suivante :

$$L_0 = \frac{n_1 n_2 f}{4\pi \sigma_x \sigma_y}$$

Les définitions de $n_1$, $n_2$, $\sigma_x$, $\sigma_y$, $f$ et $B$ sont données dans le tableau .

Table: Quelques caractéristiques du LHC pour les collisions p-p.

Nombre de protons par paquet dans chaque faisceau	$n_1$, $n_2$	$10^{11}$
Extensions horizontale et verticale des paquets	$\sigma_x$, $\sigma_y$	15 $\mu m$
Extension suivant l'axe $z$	$\sigma_z$	5 cm
Fréquence de révolution des paquets		11,25 kHz
Espacement des paquets		7,7 m
fréquence de croisement		25 ns
	f	40 MHz
Angle de croisement		200 $\mu rad$

Le calcul pour le LHC donne dans les conditions optimales

$$L_0 = \frac{10^{11} \times 10^{11} \times 40 \text{ } 10^6}{4... ... \text{ } 10^{-4}}=1,4 \text{ } 10^{34} \text{ } cm^{-2} s^{-1}$$

La luminosité nominale ne sera atteinte qu'après une période de un à deux ans de fonctionnement à plus faible luminosité ($L_0 = 10^{33}$ $cm^{-2}s^{-1}$). Cette période sera mise à profit pour la mise en route des détecteurs et leur étalonnage, mais également pour étudier la physique des quarks $b$ et $t$. L'accélérateur pourra également fonctionner en effectuant des collisions d'ions lourds avec une énergie de 2,76 TeV/nucléon pour la recherche du plasma de quarks et de gluons. La luminosité prévue pour les collisions Pb-Pb est de $10^{27}$ $cm^{-2}s^{-1}$.

Pour reconstruire les processus physiques qui surviennent lors d'une collision, il est nécessaire de déterminer les particules qui seront produites et de mesurer leur énergie.