Wednesday, 14 December 2016

Sciences - La découverte du boson de Higgs

Collisions de protons au LHC



Découverte du boson de Higgs

"particule de Dieu"


2 sept. 2012




Comme j'ai fait quelques lectures pour m'informer de la découverte récente du boson de Higgs, j'en profite pour synthétiser ce que j'ai appris en écrivant le présent article.
Une petite passion pour les sciences.
Aujourd'hui, je vous raconte donc la petite histoire des collisions de protons au LHC.

Les chercheurs veulent aller toujours plus loin dans la connaissance des particules de matière, notamment dans celle des particules instables (la face cachée). Bonne idée !
Voici l'histoire du proton dans l'accélérateur du CERN basé sur la frontière franco-suisse. Cet accélérateur est le LHC, "Large Hadron Collider", enterré à 100m sous terre (en moyenne).


Petite parenthèse: pour ceux qui découvrent la physique subatomique, le proton est de charge positive et est une particule du noyau de l'atome. Le noyau est formé des nucléons: protons et neutrons, tous deux des baryons (particules lourdes). 






Retournons à l'accélérateur. Dans le tunnel du LHC, 2 tuyaux assurent chacun le passage d'un faisceau de protons, en sens inverses, c'est-à-dire que deux faisceaux passent dans le tunnel dans des sens opposés. 

Les faisceaux de protons parcourent 11 000 fois le tour du tunnel de 27 km en 1 seconde ! Pas mal, non ? ça donne une vitesse de 297 000 km/s.
Chacun des 2 faisceaux de protons est envoyé par paquets, au nombre de 2 808. 
1 paquet = 1011 protons. Intervalles entre les paquets : 7,5 m.

N'oublions pas que l'accélération du faisceau de protons s'élève au cours de sa trajectoire. Quelle trajectoire ? Circulaire ! car 1) le tunnel est circulaire et 2) les parois des 2 tuyaux contiennent des aimants supraconducteurs qui maintiennent la trajectoire des protons. Ces gros aimants sont refroidis à - 271,3 °C (1,85 k*), c'est-à-dire 1 °C au-dessous de la température du vide de l'univers.




Une fois la vitesse 299 792 455,3 m/s atteinte (c'est presque la vitesse de la lumière c=299 792 458 m/s), une infime partie des protons entre en collision dans d'énormes détecteurs, l'ATLAS étant le plus grand d'entre eux (25 m de hauteur sur 44m de longueur). 

Ces détecteurs sont des 4 en 1 : ils contiennent 4 couches de réception, qui permettent de distinguer plusieurs niveaux de transformation de particules à partir du centre de collision, des particules instables aux plus stables (chaînes de désintégration).



The major detector, ATLAS: collisions in 2012, May.


Ainsi, avec de simples protons, nous obtenons de la masse (particules stables de matière). 


A vrai dire, il nous semblait bien que E=mc² (de la formule d'Einstein, énergie proportionnelle à la masse, c² étant la vélocité de la lumière au carré).

Évidemment, on ne comprend pas grand chose si l'on n'entre pas dans le détail. Alors disons que 600.106/s collisions (600 millions de collisions/sec) se produisent dans chaque détecteur, que durant < 10-9 s, des particules instables existent avant de se désintégrer en particules stables, que ces particules instables sont mesurées sur une distance de quelques microns à quelques centaines de mètres avant désintégration. Des chambres à fil au-delà des détecteurs permettent les mesures plus éloignées du centre de collision.

- Les particules stables : photons, neutrinos, électrons, neutrons, protons, hadrons.
- Les particules instables: muons, tauons, quarks top, quarks bottom, kaons, pions.

Par exemple, le quark T ("top") devient quark B ("bottom") qui se désintègre en quark C ("charm"), en quark S ("strange") et ainsi de suite, du plus massif au moins massif, et non l'inverse, bien évidemment (désintégration --> perte de masse). Petite parenthèse: la mesure de la masse se fait en eV (électron-volt) ou en n.10-x kg.





Petite question: que dit-on des bosons W+, W- et Z ?

Ce sont des bosons de jauge, d'interaction faible au niveau du noyau atomique (responsable de la désintégration radioactive). Bref, depuis quelques temps (depuis les années 60) un groupe de physiciens dont Peter Higgs suspectait l'existence d'un champ qui donne un point de masse aux particules élémentaires (un champ scalaire qui réfrènerait leur vitesse, résultant de la masse dans les particules). Il s'agit du "champ de Higgs". 

En mai 2012, l'expérience de collision au LHC déduit l'existence de ce qu'on nomme la particule "boson de Higgs", à laquelle les particules sont sensibles (toutes les particules ne le sont pas). 

Petite récapitulation: résistance des particules à l'accélération due à l'interaction avec le champ de Higgs électrofaible => masse. Le vecteur est le boson de Higgs, qui est donc à l'origine de la masse.

Les physiciens savaient que le champ de Higgs était à l'origine de la brisure de symétrie entre la force électromagnétique apportée par les photons (portée infinie) et la force électrofaible (portée très limitée). Le photon n'interagit pas avec le champ de Higgs, il n'a pas de masse, alors que les bosons d'interaction faible sont lourds et interagissent avec le champ. 

Question fermée, jusqu'à la prochaine. ;)


Au fait, n'oublions pas le défi informatique pour traiter toutes les informations recueillies (environs 15 pétaoctets de données, c-a-d 15.1015 o soit 15 millions de milliards d'octets) : plusieurs équipes mondiales sont chargées de ce travail titanesque, qui ne dure pas que 4 jours...


Lynn




* Conversion du °C (degré celcius) en k (kelvin).
0 k = -273,15 °C
Dans le cas de nos aimants refroidis à -271,3 °C :
- 271,3 + 273,15 = 1,85 k


La nomenclature des particules élémentaires :