LE GRAND COLLISIONNEUR

01 - Introduction: le LHC (durée 1’49)

01 - Introduction: le LHC (durée 1’52) [voix Floriane] Bienvenue dans l’exposition « Le grand collisionneur-LHC », conçue par le Science Museum de Londres et adaptée au Palais de la découverte grâce à la collaboration avec le CERN et des laboratoires français du CEA et du CNRS. Julien Babel, médiateur scientifique à l’unité de physique du Palais de la découverte et moi-même, Floriane Perot, chef de projet, allons vous accompagner au long de cette visite.

[voix Julien] Le grand collisionneur LHC est un accélérateur de particules qui sert à sonder la matière dans sa nature la plus fondamentale.

[Floriane] Il faut savoir en effet que la matière est constituée de particules, qui composent tout l’univers qui nous entoure. Quel est le sens de cet acronyme « LHC » ?

[Julien] LHC veut dire « Large Hadron Collider » : collider puisque l’on collisionne des particules ; large puisque c’est un accélérateur de particules qui fait 27 km de circonférence ; hadrons correspond à la nature des particules accélérées, en l’occurrence des protons ou des ions lourds. Cette machine se trouve à la frontière franco-suisse près de Genève. Elle est gérée par un institut de physique des particules qui s’appelle le CERN, qui est le plus grand laboratoire de science au monde. C’est une organisation pour la recherche nucléaire et des particules qui a été fondée il y a 60 ans exactement.

Donc cette exposition permet de s’immerger dans ce laboratoire de physique et de découvrir cette gigantesque machine qui a permis notamment la découverte du boson de Higgs.

Il faut savoir qu’en physique des particules on cherche vraiment à sonder la matière dans son aspect le plus fondamental Et pour cela les physiciens des particules accélèrent des particules à très grande énergie, à la vitesse de la lumière ; s’ensuit une collision entre ces particules qui donne naissance à tout un tas de nouveaux phénomènes, et pour découvrir des choses parmi ces nouveaux phénomènes il faut des détecteurs de particules, et il faut qu’ils soient le plus précis possible pour voir des choses de plus en plus rares.

02 - Entrée de l’exposition : tube cathodique et chambre à brouillard (durée 1’50)

02 - Entrée de l’exposition : tube cathodique et chambre à brouillard (durée 1’50) [Floriane] En préambule de l'exposition, nous avons choisi de présenter deux objets qui illustrent l’évolution de la recherche en physique des particules : le tube cathodique, accélérateur de particules issu des collections du Palais de la découverte, élaboré à son ouverture en 1937 par Jean Perrin , physicien et créateur du Palais de la découverte, et une chambre à brouillard, détecteur de particules. Julien, peux-tu nous expliquer le principe du tube de Jean Perrin ?

[Julien] Dans ce tube à décharge on accélère des particules qu’on appelle des électrons, des petites particules de charge moins. C’est un tube qui fait un peu moins de 3 mètres de haut, et ces particules sont accélérées grâce à un champ électrique d’une différence de potentiel d’environ 7000 volts. Dans ce tube, la pression est très basse, ce qui permet aux particules de pouvoir se balader assez librement, mais ça ne les empêche pas de rentrer en collision avec le gaz présent. Ces collisions peuvent être vues grâce à une sorte de lumière un peu rosâtre qui fait penser aux aurores boréales.

[Floriane] Et comment fonctionne la chambre à brouillard ?

[Julien] Quand une particule traverse une vapeur d’alcool, il se crée sur son sillage des gouttelettes d’alcool, donc on peut parler presque de petits nuages, et ces particules peuvent être ainsi visualisées directement grâce à ces traces blanchâtres. C’est une machine qui a été élaborée à la fin du 19ème siècle par un physicien écossais qui s’appelle Wilson et l’objet qui est présenté dans cette salle est une version élaborée de cette expérience de l’époque, où vous pouvez voir en direct l’invisible qui nous entoure, puisque ces particules viennent principalement de la radioactivité naturelle.

[Floriane] Un pupitre tactile devant l’entrée à droite explique le principe du tube à décharge. A gauche, devant la chambre à brouillard, un autre pupitre tactile décrit son fonctionnement ; avec les images en relief qui décrivent les traces observées dans la chambre, on peut définir la nature des particules qui y sont passées.

03 - La chambre à fils (durée 1’27)

03 - La chambre à fils (durée 1’27) [Floriane] Nous entrons maintenant dans une salle qui permet de remettre en contexte la physique des particules à travers différents objets qui ont marqué son histoire. Les murs sont ici tapissés d’équations sur tableau noir, pour recréer le quotidien des théoriciens en physique des particules et voir sur quoi ils planchent. Voyons maintenant les objets présentés dans cette salle.

[Julien] En face de vous trône un détecteur de particules qui a fait les beaux jours de la physique dans les années 70-80. C’est un principe qui a été élaboré par un physicien français qui s’appelle Georges Charpak qui a eu un prix Nobel pour cette invention.

[Floriane] Ce détecteur est ce qu’on appelle une chambre à fils. Comment fonctionne-t-elle ?

[Julien] Donc à l’intérieur vous pouvez trouver des fils électriques baignés dans un gaz, le but étant de détecter les particules chargées le traversant. Donc quand une particule traverse, elle déplume les atomes de ce gaz, créant ainsi des charges plus et des charges moins qui dérivent en direction des fils électriques, créant un signal électrique qui peut ensuite être détecté grâce à des appareils électroniques. Cela permet ainsi de reconstruire la trajectoire des particules traversant la chambre, et d’ainsi remonter à la particule « père », ayant créé toutes ces « filles » détectées dans le détecteur.

[Floriane] Un pupitre tactile explique d’où vient la chambre à fils présentée dans cette exposition, et une petite maquette à échelle réduite permet de se rendre compte de l’agencement des fils électriques à l’intérieur de la chambre.

04 - Chambres à brouillard - salle 1 (durée 1’48)

04 - Chambres à brouillard - salle 1 (durée 1’48) [Julien] Dans cette salle sont présents également des objets plus vieux que la chambre à fils centrale. Parmi ces objets, vous avez deux chambres à brouillard historiques.

[Floriane] Celle de gauche en effet est la première chambre à brouillard inventée au cours de l’histoire. Comment cet objet a-t-il été inventé ?

[Julien] C’est un physicien du nom de Wilson à la fin du 19ème siècle qui a voulu recréer les conditions d’un brouillard dans une expérience pour ainsi faire des jeux de lumière, et il s’est vite aperçu que cela pouvait servir de détecteur de particules. En installant une source radioactive il a ainsi observé le rayonnement radioactif venant de ces atomes instables et ça a été à l’époque le détecteur de particules le plus précis jamais utilisé.

Sur la droite de cet objet on a une deuxième chambre à brouillard qui a été utilisée par Rochester Butler dans les années 1940 et qui a permis notamment à l’époque de découvrir le méson K ou kaon.

Sur la droite de ces deux objets, une photo qui a été très importante dans l’histoire de la physique des particules, qui a permis la découverte de la première particule d'antimatière dans les années 1930, le positron. C’est un peu un cousin de l’électron, mais inversé.

[Floriane] Une planche tactile vous permet de toucher l’image en relief de la trace de ce positron, antiparticule de l’électron. Pourquoi sa trace est-elle courbée ?

[Julien] A l'époque on installait des aimants à l’intérieur des chambres à brouillard pour ainsi courber la trajectoire des particules chargées. Suivant le pôle de l’aimant, une particule de charge + sera courbée d’un côté plutôt que de l’autre. Ce que nous observons ici c’est une trace courbée d’un électron mais de charge positive, puisque si elle avait été négative Anderson se serait attendu à une courbure de l’autre côté.

05 - Accélérateurs de particules - salle 1 (durée 1’28)

05 - Accélérateurs de particules - salle 1 (durée 1’28) [Floriane] Nous venons de décrire des détecteurs de particules, maintenant nous allons parler des accélérateurs qui se trouvent dans cette première salle de l’exposition.

[Julien] On a ce qu’on appelle le tube à rayons cathodiques de JJ Thomson qu’il a utilisé en 1897 pour la découverte de l’électron. Il s’agit de l’objet original, il vient des réserves du Science Museum.

[Floriane] Les rayons cathodiques sont des rayons accélérés sous un champ électrique. En quoi a consisté la découverte de Thomson ?

[Julien] Il a réussi à montrer que ces rayons étaient des petites particules plus petites que l’atome, et que ça correspondait aux électrons que l’on connaît actuellement. Donc c’est la première particule subatomique jamais découverte.

[Floriane] Dans le tube à décharge de Thomson, les particules sont accélérées en suivant une trajectoire linéaire, mais nous avons ici la réplique du premier accélérateur de particules circulaire.

[Julien] L’objet qu’on appelle un cyclotron, utilisé par Lawrence dans les années 1930, accélère les particules en forme de spirale, donc c’est une sorte de petit LHC, il fait 30 cm de diamètre. La particule part du centre de l’objet et un aimant courbe sa trajectoire tout au long de l’accélération. Et à la fin de son périple, ces particules sont projetées sur une cible pour créer tout un tas de nouveaux phénomènes observés par des détecteurs de particules.

06 - Dans le tunnel du LHC (durée 3’01)

06 - Dans le tunnel du LHC (durée 3’01) [Floriane] Nous voici maintenant dans le tunnel du LHC, bienvenue à 100 mètres sous terre ! Julien, peux-tu nous rappeler ce qu’est le LHC, ce grand accélérateur de hadrons ?

[Julien] C’est un anneau qui fait 27 km de long, qui est à la frontière franco-suisse, qui permet d’accélérer les particules à 10 km/heure en-dessous de la vitesse de la lumière. Chaque particule fait plus de 11 000 fois les 27 km en 1 seconde, ce qui est gigantesque. Dans ce tunnel, nous allons suivre le parcours de ces particules : comment elles sont accélérées, comment elles sont guidées au sein du tunnel.

[Floriane] A droite de l’entrée du tunnel se trouve le plan du LHC en relief sur un pupitre tactile. Cela permet de se rendre compte qu’avant d’entrer dans le tunnel du LHC, les particules traversent une série d’accélérateurs plus petits, qui contribuent à l’augmentation de la vitesse de déplacement des particules. A la fin de leur parcours, les particules circulent à 99,9999991% de la vitesse de la lumière. La vitesse de la lumière étant de 299 792 458 m/s, les particules circulent à une vitesse de presque 1 milliard de km/heure ! Au fait, d’où viennent ces fameuses particules, et comment les scientifiques du CERN arrivent-ils à les faire circuler à une telle vitesse ?

[Julien] On accélère des protons, qui sont des noyaux d’atome d’hydrogène. Donc on prend le gaz hydrogène que l’on déplume de ses électrons pour garder seulement le noyau de l’atome, et ce noyau positif le proton est accéléré tout d’abord par un accélérateur linéaire qu’on appelle le LINAC 2. S’ensuit une série d’accélérateurs circulaires : le Proton Synchrotron Booster, le Proton Synchrotron, le Super Proton Synchrotron, et ensuite les particules arrivent dans le LHC.

Dans le LHC, pour les accélérer, pour leur donner un coup de fouet à chaque passage, on utilise des cavités radiofréquence où l’on utilise le principe de l’électrostatique. C’est-à-dire que 2 charges électriques de même signe se repoussent, 2 charges de signe opposé s’attirent. Donc dans la cavité, pour attirer ces protons, on injecte un champ électrique négatif, donc plus et moins s’attirant, les protons arrivent vers la cavité. Lorsqu’ils sont à l’intérieur de cette cavité, ce champ électrique bascule de négatif à positif, puisque plus et plus se repoussent, ce qui permet de les faire ressortir de la cavité de l’autre côté en les poussant, et on a dans cette salle un objet utilisé dans le LHC, qui est donc une partie de ces cavités accélératrices.

[Floriane] Cet objet est en fait un tube vide, entouré d’une sorte de donut en cuivre. C’est dans ce donut en cuivre qu’est injecté le champ électrique qui alterne de positif à négatif, puis de négatif à positif, et ainsi de suite.

[Julien] Et donc on parle de radiofréquence puisque c’est une fréquence de basculement de champ électrique qui est appliquée.

07 - Les aimants supraconducteurs (durée 2’47)

07 - Les aimants supraconducteurs (durée 2’47) [Floriane] En suivant le tunnel, à droite, une émission diffusée depuis un poste de radio raconte un incident qui a eu lieu en 2008, 10 jours après la mise en route du LHC : une fuite d’hélium au sein de l’anneau accélérateur a causé des dégâts sur un peu moins d’1 km et a failli mettre en péril son fonctionnement. Juste après, vous pouvez écouter dans un poste téléphonique une conversation entre 2 physiciens qui travaillent pour 2 détecteurs du LHC, ATLAS et CMS, et qui montre la compétition qui a lieu entre ces deux expériences.

Revenons maintenant à nos particules : elles sont accélérées quasiment à la vitesse de la lumière, comment faire pour les garder dans l’anneau circulaire de 27 km ?

[Julien] Pour cela, il faut guider et courber leur trajectoire. L’anneau du LHC est donc composé d’aimants ultra-puissants, de 100 000 fois le champ magnétique de la Terre. Ces aimants ont une longueur de 14 mètres et pèsent une dizaine de tonnes. Ils sont composés de câbles supraconducteurs refroidis à l’hélium superfluide, à une température de -271 degrés, soit 2 degrés au-dessus du zéro absolu, ce qui fait du LHC le plus grand frigo de l’univers. Ce refroidissement permet d’avoir des câbles sans aucune résistance électrique et d’ainsi soutenir des courants mille fois plus intenses que dans un câble normal, sans aucune perte d’énergie, et d’ainsi obtenir des champs magnétiques suffisamment intenses pour courber ces particules relativistes ayant la vitesse de la lumière.

[Floriane] Tout au long de l’anneau du LHC, il y a plus de 9000 de ces aimants supraconducteurs, qui sont de véritables prouesses technologiques. Des échantillons sont présentés ici dans des vitrines, dans la deuxième partie de ce tunnel. Julien, peux-tu nous expliquer ce qu’on voit dans ces vitrines ?

[Julien] La première vitrine montre ce qu’on appelle un aimant dipolaire, qui permet de courber la trajectoire des particules dans le LHC. Un peu plus loin vous avez un squelette d’un aimant, donc on peut voir les deux tubes où circulent les particules, entourés de ces câbles supraconducteurs.

[Floriane] Nous sommes maintenant à la fin du tunnel, face à une vitrine qui présente une tranche d’aimant supraconducteur quadripolaire. Quel est le rôle de ce type d’aimant ?

[Julien] Il faut savoir que ce ne sont pas des protons isolés qui sont accélérés dans le LHC, mais qu’ils sont accélérés sous forme de paquets, et chaque paquet contient à peu près 10^12 protons. Ces paquets sont focalisés par des aimants que l’on appelle quadripolaires, et on obtient ainsi des faisceaux de particules avec une dimension de l’ordre du cheveu. Ça permet ainsi d’avoir des collisions plus efficaces et beaucoup plus concentrées, pour voir des phénomènes plus rares.

08 - Salle des détecteurs (durée 3’27)

08 - Salle des détecteurs (durée 3’27) [Floriane] Nous entrons maintenant dans la salle des détecteurs. Sur la gauche de l’entrée, un pupitre tactile montre un plan qui positionne les 4 détecteurs le long du LHC, et une image en relief décrit une collision entre deux particules. Les particules sont focalisées dans deux tubes qui circulent chacun en sens opposé et qui se croisent en 4 points le long de l’anneau accélérateur. Les faisceaux de particules y arrivent frontalement et c’est le choc : les protons se collisionnent. Que se passe-t-il exactement lors d’une collision ?

[Julien] Une collision, en physique des particules, peut se représenter avec l’image suivante : imaginons deux oranges qui se collisionnent à la vitesse de la lumière. En physique des particules ces 2 oranges vont se transformer en bananes, concombres, kiwis etc. En fait, c’est le « E=MC² » que vous connaissez peut-être : la masse qui devient énergie au moment de la collision et qui donne d’autres masses. Donc en fait à partir de 2 particules on crée tout un tas de nouvelles particules qu’on étudie ensuite. Pour étudier ces particules, ces fruits de la collision, il faut donc des détecteurs de particules. Donc cette salle montre différents objets, ici issus des 4 détecteurs du LHC. 4 détecteurs qui se nomment ATLAS, CMS, qui sont 2 détecteurs généralistes, qui ont notamment découvert le boson de Higgs, ALICE qui s’occupe de recréer la matière présente au tout début de l’univers, ce qu’on appelle la matière primordiale, et LHCb qui lui est plus spécialisé dans l’antimatière : essayer de découvrir pourquoi une asymétrie entre matière et antimatière.

[Floriane] A quoi ressemblent ces détecteurs ? On parle de « cathédrales de fer » pour les désigner.

[Julien] Pour donner un ordre de grandeur de ces détecteurs qui sont des microscopes visuellement gigantesques, le détecteur ATLAS qui est la plus grosse expérience au sein du LHC, est un détecteur qui fait 30 mètres de haut par 40 mètres de long ; le détecteur CMS est un détecteur qui est plus compact qu’ATLAS mais plus lourd, qui est notamment plus lourd que la Tour Eiffel, il y a plus de fer à l’intérieur, et on pourrait presque parler de montre suisse de 5 étages puisque c’est 5 étages de micro-électronique et de soudures entièrement faites à la main.

[Floriane] Ici on cherche à nous expliquer la structure de ces détecteurs, pour comprendre comment ils détectent les collisions. Ils sont structurés comme des oignons, avec des couches qui sont chacune spécialisée dans la détection d’un type de particule.

[Julien] Donc il y a des couches du détecteur qui sont très proches du point de collision pour voir les particules les plus furtives et celles qui vont disparaître le plus rapidement, et au fur-et-à-mesure que l’on s’éloigne, on voit les particules les plus pénétrantes dans la matière, notamment les muons.

[Floriane] Comment les physiciens font-ils ensuite pour analyser les données détectées par ces énormes machines ?

[Julien] Au sein de chaque détecteur on atteint en moyenne 40 millions de collisions par seconde. Il faut donc une puissance de calcul gigantesque pour analyser toutes ces données qui arrivent et ensuite faire le tri parmi toutes ces particules pour trouver celles qui vous intéressent. Le CERN a donc mis au point ce qu’on appelle une grille de calculs.

Cette grille de calculs permet aux physiciens de récupérer les données prises en direct par les détecteurs du LHC, sans quitter leur laboratoire, sachant que le CERN met en jeu 100 nationalités partout dans le monde.

09 - Bureau de Melinda : le boson de Higgs (durée 2’18)

09 - Bureau de Melinda : le boson de Higgs (durée 2’18) [Floriane] Nous entrons ici dans la reconstitution à l’identique du bureau d’un physicien ou d’une physicienne du CERN. A qui appartient ce bureau ?

[Julien] C’est le bureau d’une doctorante qui s’appelle Melinda, qui représente la collaboration qui a découvert le boson de Higgs. C’est une particule qui a été théorisée il y a 50 ans exactement, en 1964, par différents groupes de théoriciens.

[Floriane] En effet les physiciens ont élaboré un modèle théorique pour expliquer la structure de la matière, appelé Modèle standard. La dernière pièce qui manquait pour que ce modèle soit complet, était le boson de Higgs. C’est pour rechercher ce boson qu’a été conçu le LHC. En 2012, après avoir analysé toutes les nouvelles particules issues des collisions, on a mis l’accent sur un phénomène rare et inattendu, qui collait parfaitement au modèle théorique du boson de Higgs. Cette particule qu’on attendait de trouver est la première découverte faite par le LHC. Julien, que dit le Modèle standard sur la structure de la matière ?

[Julien] En physique des particules on regroupe la matière en 2 familles principalement : les fermions et les bosons. Les fermions sont ce qu’on appelle les particules de matière, on en connaît 24 aujourd’hui, particules et antiparticules, et les bosons sont ce qu’on appelle les particules d’interaction, c’est elles qui transmettent les 4 interactions fondamentales qui existent dans la nature. Et le boson de Higgs a une place un peu particulière puisqu’il transmet la masse aux particules autour de nous.

[Floriane] Et alors comment peut-on expliquer de façon accessible ce qu’est ce fameux boson de Higgs ?

[Julien] Pour donner une image du boson de Higgs, imaginons un champ de neige. Ce champ de neige est ce qu’on appelle le champ de Higgs, qui est présent partout même si on fait le vide quelque part. Imaginons maintenant un voyageur qui traverse ce champ, il va plus ou moins interagir, par exemple s’il n’a pas de skis il va plus s’enfoncer, il va donc se sentir plus lourd que s’il avait des skis, et il passerait beaucoup plus rapidement, et c’est vraiment de ça que rend compte le boson de Higgs : plus une particule va interagir avec ce champ, plus elle va acquérir de la masse.

10 - Questions pour le futur - Applications des technologies du LHC (durée 2’31)

10 - Questions pour le futur - Applications des technologies du LHC (durée 2’31) [Floriane] Et maintenant qu’on a confirmé l’existence du boson de Higgs et que le Modèle standard est totalement validé, quel est l’avenir du LHC ?

[Julien] Alors ce boson de Higgs n’est qu’une vérification d’une théorie vieille de 50 ans, ce n’est donc qu’un premier pas pour le LHC. Maintenant nous attendons des choses nouvelles qui vont permettre de répondre à d’autres questions telles que : pourquoi la nature a choisi la matière plutôt que l’antimatière, qu’est-ce que la matière noire, et encore d’autres choses, puisqu’aujourd’hui nous avons une théorie qu’on appelle le modèle standard qui est très précise, on arrive à prédire des choses avec une précision gigantesque, donc le boson de Higgs confirme que cette théorie est valable, mais c’est une théorie qui n’est pas aujourd’hui suffisante pour expliquer tout ce que l’on voit.

[Floriane] Dans la salle suivante, vous écouterez des chercheurs qui décriront le modèle standard tel qu’on le connaît aujourd’hui, et qui expliqueront également toutes ces questions qui restent ouvertes et qui nous confirment qu’il y a encore de nombreux sujets de recherche à envisager !

Le LHC est un outil expérimental gigantesque, c’est la plus grande expérience scientifique jamais construite par l’humanité. A part la recherche fondamentale, y a-t-il d’autres domaines qui peuvent être concernés par cette énorme machine ?

[Julien] La machine du LHC a permis des avancées considérables dans d’autres domaines que la physique des particules. La technologie utilisée pour fabriquer les aimants supraconducteurs du LHC a notamment permis de faire évoluer l’imagerie médicale, et aujourd’hui notamment une expérience appelée Iseult qui trônera au centre de recherche Neurospin du CEA, va faire intervenir l’un des aimants les plus puissants jamais utilisés pour faire de l’imagerie cérébrale ultra précise.

[Floriane] Nous voici à la fin de l’exposition « Le grand collisionneur-LHC », mais vous pouvez poursuivre votre visite au Palais de la découverte, en allant voir des exposés liés à la physique des particules : des exposés sur la supraconduction, utilisée dans les aimants du LHC, des exposés sur les réactions nucléaires, qui font intervenir un petit accélérateur de particules ici au Palais de la découverte, ou encore sur les rayons cosmiques ou la radioactivité. Ces exposés sont aussi agréables à voir qu’à entendre ! Merci de nous avoir suivis tout au long de cette visite. Prolongez aussi l’aventure sur internet : sur le site web de l’exposition palais-decouverte.fr, et avec un webdocumentaire qui propose une visite virtuelle du CERN : experience-cern360.fr