Mise à jour le 23 Octobre 2013
 
 
    
VOYAGE D’ÉTUDE DE LA SOCIÉTÉ ASTRONOMIQUE DE FRANCE
OBSERVATOIRE DE GENÈVE ET CERN (LHC)
ORGANISÉ PAR JPM (SAF ET VEGA)

Les 16 et 17 Octobre 2013
 
Photos : JPM et autres pour l'ambiance, de nombreuses photos ont été faites, elles sont à votre disposition (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur.  Voir les crédits des autres photos et des animations éventuelles.
 
De nombreuses photos ont été faites pendant de voyage ; on en trouve par exemple à :
 
Un album de mes propres photos en résolution moyenne.
 
L’album des photos de Pascal Berteau.
 
Les photos sur le site de VEGA.
 
 
 
BREF (?) COMPTE RENDU
 
Accès direct :
·        L’observatoire de Genève
·        Le CERN et le LHC Généralités
·        L’expérience ATLAS
·        Les aimants
·        La salle de l’AMS
·        La conférence de Michel Spiro
·        Texte de B Lelard
 
 
Notre groupe devant la grande chambre à bulles européennes (BEBC) datant des années 1970.
Elle recevait les faisceaux du PS puis du SPS. 3000km de films !
 
 
 
 
 
 
LA GENÈSE DU VOYAGE.
 
 
C’est à la demande de nombreuses personnes qui avaient déjà participé au voyage précédent (voir CR) et surtout aux nombreux qui n’avaient pas participé, que j’ai décidé de reprendre le flambeau, avec comme but cette fois-ci, de découvrir l’expérience Atlas, la plus grande du LHC, alors que la dernière fois nous avions vu CMS.
 
L’époque s’y prête particulièrement bien, après un récent prix Nobel pour Higgs et Englert et des conférences programmées pour préparer ce voyage comme :
·        Champ de Higgs et origine de la matière : CR de la conf. SAF d’Yves Sirois du 11 Sept 2013
·        Le LHC et la recherche du boson de Higs : CR de la conf SAF (Cosmologie) de C. Guyot du 14 Sept 2013. 
·        Le boson de Higgs et le LHC : CR de la conférence IAP de B Mansoulié le 5 Fev 2013  (donnée à l’IAP)
 
 
J’ai donc pris contact avec notre ami Mick Storr, responsable formation et visites du CERN.
Nous voulions absolument coucher à l’hôtel du Centre pour être sur place, et c’est ce qui a été le plus dur, car il fallait trouver une date pour une quarantaine de personnes (en fait au début 30 puis vu le succès on s’est approché de 50, avec à chaque fois des allers et retours vers ce pauvre Mick, pour voir si c’était possible). Bref on tombe d’accord pour les 16 et 17 Octobre.
 
Je suis resté fidèle à la solution « autocar », c’est le meilleur moyen pour ne perdre personne et pour se déplacer sur place.
La société des cars Hourtoule nous a fait une proposition qui fut acceptée.
 
La SAF patronne le voyage ainsi que notre association d’Astronomie de Plaisir, VEGA.
 
Le programme est similaire à celui de 2010 dans les grandes lignes :
L’Observatoire de Genève (merci à Roger Ferlet) où Michel Mayor nous attend le 16 dans l’après midi
Hébergement et dîner au CERN le soir
Le lendemain le 17, on se répartit en plusieurs groupes (c’était en fait là le problème posé ; on ne peut descendre qu’à 12 dans Atlas) donc nous nous sommes répartis, un groupe visitant Atlas, un autre la salle de contrôle etc…
Déjeuner super ensoleillé au CERN avant de rencontrer Michel Spiro et de faire un tour à la boutique avant de repartir pour Paris.
 
 
 
 
Démarrage dès 6H45 du matin, on prolonge un peu la nuit avant d’écouter notre ami Bernard.
Comme d’habitude, pendant le voyage, Bernard Lelard (Président de VEGA) nous propose une conférence sur ce que nous allons voir. Le texte est disponible à la fin de ce CR
 
De nombreux ouvrages ont été distribués (gracieusement) pendant le voyage, livres ayant trait au LHC, aux particules et au fameux boson de Higgs.
 
 
 
L’OBSERVATOIRE DE GENÈVE.
 
 
M Mayor a bien voulu nous faire l’honneur de poser avec les membres de la SAF.
(version haute définition disponible sur demande pour toutes les photos)
 
 
Historique de l’Observatoire : (reprise d’un texte précédent)
 
Cet observatoire date de 1772, depuis de nombreuses années il n’est plus utilisé comme observatoire ; comme la réputation suisse se porte sur l’horlogerie, ce centre est spécialisé dans la chronométrie.
 
En 1966 l’observatoire est situé sur le site de Sauverny au Nord Ouest de Genève en pleine forêt.
Une centaine de personnes travaillent sur ce site.
 
Signalons leur « spécialité », la recherche des exoplanètes avec notamment M Mayor et D Queloz, mais aussi Stéphane Udry (Directeur actuel de l’observatoire) qui a récemment avec son équipe découvert un système exoplanétaire de 7 planètes autour de la même étoile.
 
L’observatoire de Genève est aussi le lieu de réception des données du satellite gamma Intégral au centre ISDC situé à quelques km de Sauverny et spécialisé dans ces données concernant l’astronomie des hautes énergies.
 
Plus de détails sur la présentation de ce site sur cette page de leur site Internet.
 
Notre arrivée est saluée par le Professeur Michel Mayor (le découvreur de la première exoplanète Peg 51 avec son collègue Didier Queloz) et par son assistante Céline Tchernin, doctorante.
 
 
 
Michel Mayor.
Céline Tchernin
L’amphithéâtre et le public de la SAF pour suivre
les conférences.
 
 
Les différents thèmes de recherche de l’Observatoire sont :
·        Recherche des planètes extra solaires (S Udry et D Queloz notamment)
·        Physique et évolution stellaire
·        Formation stellaire
·        Astérosismologie et Gaia
·        Dynamique des galaxies
·        Formation des étoiles et galaxies dans l’univers lointain
·        Astrophysique des hautes énergies
·        Les particules cosmiques
 
M Mayor nous explique aussi qu’ils ont mis au point le télescope Leonhard Euler installé à la Silla au Chili (ESO).
C’est un télescope de 1,2m utilisé en conjonction avec le spectrographe Coralie, et spécialisé surtout dans la recherche d’exoplanètes par la méthode des vitesses radiales.
 
L’observatoire de Genève exploite aussi le télescope Mercator, appartenant à l’Université de Louvain, situé à La Palma (Canaries).
 
De plus l’observatoire construit pour le Cerro Paranal l’instrument PRIMA qui devrait effectuer des mesures astrométriques.
 
Mais l’instrument (les instruments) dont il est le plus fier est l’interféromètre HARPS (installé à l’ESO) dont nous avions vu le deuxième exemplaire la dernière fois. Sa résolution : 10 à 20 micro arc sec.
 
 
Michel Mayor nous indique ensuite les différentes méthodes de recherche des exoplanètes :
·        Méthode des vitesses radiales : on détecte le léger mouvement de l’étoile quand une planète tourne autour
·        Méthode des transits : très légère baisse de luminosité quand une planète passe devant une étoile.
 
Ces différentes techniques vous ont été excellemment expliquées par notre ami Roger Ferlet lors d’une de ses conférences à la SAF.
 
La plupart des découvertes actuelles (80%) ont été faites avec la méthode des vitesses radiales, dont une très grande partie ici à l’observatoire de Genève.
 
 
Une des découvertes de Harps, dont ils sont le plus fiers : le système multiple (7 planètes) de HD 10180, proche voisin de la Terre, seulement 127 années lumière. Nous en avions parlé dans les news
La plupart des exoplanètes découvertes maintenant le sont avec la méthode des transits. Voici leur répartition masse/rayon. Le carré rouge indiquant la zone couverte par le nouveau projet CHEOPS
voir plus loin..
Le sujet de recherche de Céline est : les neutrinos associés aux photons de haute énergie. Les neutrinos, ces messagers de l’univers.
À cet effet, elle participe au détecteur de neutrinos Ice Cube (1km3 de détecteurs) situé sous le Pôle Sud.
 
 
 
Quelques mots sur le projet CHEOPS (CHaracterizing ExOPlanet Satellite) :
C’est un satellite de l’ESA (projet accepté) dédié aux petites planètes extra solaires (genre super Terres  1 à 10 masses terrestres) et à leurs satellites. Lancement prévu : 2017.
Il est équipé d’un télescope d’un mètre et demi de long et d’un diamètre de 30 centimètres.
Il sera mis en orbite à une altitude de 800 kilomètres, sur la frontière jour/nuit.
C’est de ce perchoir qu’il observera pendant une période de trois ans environ 500 étoiles particulièrement lumineuses et qu’il caractérisera leurs planètes.
 
Ils travaillent aussi sur le projet EUCLID (mesure des redshifts par les couleurs), pour lequel nous avions reçu Yann Mellier, le PI, il y a quelques temps.
 
 
 
 
L’Observatoire possède au premier étage des vieux instruments d’astronomie. Dont une belle lunette méridienne.
Mais aussi et surtout un système de projection 3D avec lunettes polarisantes (grises et non pas bleu rouge, on peut donc voir en couleur. On nous a projeté avec le logiciel Celestia des vues du système solaire et des galaxies en relief très impressionnantes.
 
 
 
 
Au nom de la SAF et de VEGA nous offrons au professeur Mayor quelques petits souvenirs à bulles de France, cela semble l’amuser particulièrement !
 
 
 
Merci à nos amis Suisses de l’Observatoire de nous avoir reçu si gentiment.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
POUR ALLER PLUS LOIN.
 
Présentation pdf de D. Ehrenreich sur CHEOPS. Excellent, à voir.
 
CHEOPS, Un projet spatial suisse sélectionné.
 
L’univers des neutrinos par Th Laserre conférence SAF.
 
Explications (très) techniques sur le fonctionnement de HARPS.
 
Les archives exoplanètes du site.
 
À la recherche de nouveaux mondes : CR de la conférence SAF de R Ferlet du 9 Fev 2011
 
À la recherche de planètes habitables : CR de la conf. de F Forget à l’IAP le 2 Oct 2012
 
CR de la conférence de M Mayor sur une multitude de mondes à l’Unesco.
 
CR de la conférence de M Mayor à l’IAP.
 
 
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LE CERN ET LE LHC .
 
 
Une partie du groupe devant la grande chambre à bulles (BEBC) des années 1970.
 
GÉNÉRALITÉS SUR LE CERN.
 
Le CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire ) se situe à la frontière Franco-suisse près de Genève, il a été crée en 1954 par 12 pays européens, ils sont maintenant beaucoup plus (20) et compte aussi des pays associés ‘USA, Japon, etc..)
 
Le CERN a été crée après guerre pour lutter contre la fuite des cerveaux vers les USA.
Ce sont Bohr et De Broglie notamment qui proposent d’élaborer un projet européen commun qui aboutira au CERN en 1954.
 
Le but du CERN est d’accélérer des particules à très hautes énergies et de traiter les données qui proviennent des diverses expériences qui s’y déroulent.
 
Les grandes dates du CERN :
·        1960 : Premier synchrotron à protons (PS).
·        1965 : la France accorde le droit de construire sur son sol, on démarre la construction de l’ISR.
·        1971 : Super synchrotron à protons (SPS) de 7km de circonférence
·        1981 : on décide de construire le Large electron positron collider (LEP) dans un tunnel de 27 km de circonférence.
·        1989 : Tim Berners-Lee conçoit le World Wide Web (www).
·        1992 : G Charpak reçoit le prix Nobel de physique pour ses travaux au CERN.
·        1994 : la construction du LHC (Large Hadron Collider) est décidée, il utilisera le tunnel du LEP.
·        2008 : mise en service du LHC.
·        2012 : découverte du boson de Higgs
·        2013-2014 : maintenance afin de permettre une montée en puissance en 2015.
 
Le CERN emploie près de 3000 personnes à plein temps et accueille 6000 scientifiques de toutes nations.
 
 
Symbole du CERN : le Globe, particulièrement bien éclairé la nuit. Il abrite une exposition ainsi que tous les détails qui expliquent la création du web ! Il contient aussi les textes originaux qui ont mené au Prix Nobel 2013.
C’est Mick Storr qui s’est occupé parfaitement de nous durant ce séjour.
 
Mick est responsable de la formation et de l’organisation des visites au CERN.
 
Le CERN accueille maintenant près de 100.000 visiteurs par an dont la moitié sont des élèves .
 
 
L’endroit le plus important du CERN d’après Mick : la cafétéria !
 
On y rencontre tous les grands physiciens du moment qui prennent tranquillement leur repas en discutant entre eux.
Nos amis se restaurent après une première journée bien remplie !
 
 
 
Les murs sont couverts d’articles et de cartoons concernant la récente découverte du boson de Higgs comme celui-ci : Journal : « le Higgs responsable de la masse »; l’obèse dit : ce n’est pas de ma faute, je suis né avec trop de bosons de Higgs !
Au détour d’un chemin en sortant de la cafétéria, on tombe sur un des cosmologistes les plus importants du moment : John Ellis du Kings Gollege de Londres où il est Maxwell Professor de physique théorique..
Il est réputé pour avoir un bureau « un peu encombré » ! photo montage de ma part devant le tableau de sa salle de repos !
 
 
Vidéo : John Ellis explique (en français) ce qu’est le boson de Higgs.
 
 
Après un sommeil bien mérité (sauf pour le pauvre Xavier, qui passa une partie de la nuit dans les escaliers de l’hôtel, sa clé électronique étant corrompue) nous entamons une nouvelle journée de visite.
 
 
 
Briefing par Mick avant de démarrer la journée.
 
 
 
On est venu principalement pour voir le LHC et exceptionnellement nous pourrons descendre dans une des 4 expériences, ATLAS.
Mais voici d’abord quelques informations sur le LHC pour ceux qui ont oublié.
 
Extrait du site du LHC :
 
 
« Le Grand Collisionneur de Hadrons (Large Hadron Collider ; LHC) vient d’entrer en fonctionnement. Il est situé dans un anneau de 27 kilomètres et enterré à 100 m sous terre à la frontière franco-suisse, près de Genève. Le LHC est désormais le plus puissant des accélérateurs de particules au monde. Des protons (ou des ions) de très haute énergie circulant dans deux faisceaux tournants à contre-sens se choquent les uns contre les autres, dans le but de rechercher des indices de la supersymétrie, de la matière noire et de l’origine de la masse des particules élémentaires.
 
Les faisceaux se composent des paquets contenant des centaines de milliards de protons chacun. Voyageant quasiment à la vitesse de la lumière, ils sont injectés, accélérés, et maintenus en circulation pendant des heures, guidés par des milliers d’aimants supraconducteurs puissants.
Dans la majeure partie de l’anneau, les faisceaux voyagent dans deux lignes sous vide séparées, mais en quatre points d’interactions, il se heurtent au cœur des expériences principales, appelées Atlas, CMS, Alice et LHCb. L’énergie des protons (ou des ions) est transformée au moment du choc en une myriade de particules exotiques, que les détecteurs de ces quatre expériences observent avec attention.
Les détecteurs pourront voir jusqu’à 600 millions de collisions par seconde et les expériences scrutent déjà les données pour y déceler les signes d’événements extrêmement rares, tels que la création du très recherché boson de Higgs. »
 
 
 
Il y a principalement 4 grandes expériences installées dans le LHC :
·        ALICE : collisions d’ions de plomb pour rechercher des particules nées du Big Bang mais disparues aujourd’hui.
·        ATLAS : recherche du boson de Higgs, recherche de particules super-symétriques (matière noire), de possibles nouvelles dimensions spatiales
·        CMS : mêmes objectifs qu'Atlas, mais avec des détecteurs différents.
·        LHCb : recherche d'antimatière.
 
LA COMPLÉMENTARITÉ.
 
Lorsque deux particules, ici des protons, se rencontrent à très haute énergie (c’est-à-dire presque à la vitesse de la lumière), leur collision (ou interaction), produit de nombreuses nouvelles particules très éphémères. À chaque interaction, ces particules sont différentes car leur production suit des règles probabilistes. Pour étudier ces interactions, il faut donc des appareillages capables de détecter tous les types de particules connues, avec la plus grande précision possible. Comme ces deux conditions sont parfois incompatibles, chaque expérience choisit quel type de processus physique elle veut étudier en particulier, et choisit les sous-détecteurs appropriés. Les différentes expériences sont donc complémentaires.
 
Le LHC accélérera également des ions lourds, dont les collisions produiront des nombres beaucoup plus grands de particules. Pour les détecter correctement, il faut un appareillage adapté en ce sens. Une deuxième raison pour la présence de plusieurs expériences, vient de l’indispensable processus de validation des résultats scientifiques et de l’émulation qui en découle.
Une découverte isolée nécessite des confirmations, et le recouvrement entre les sujets de physique accessibles aux expériences doit permettre cette confrontation. En effet, les mesures effectuées seront entachées d’incertitudes qui sont liées aux performances des détecteurs. En combinant les résultats fournis par plusieurs expériences, il sera donc possible d’améliorer la précision des mesures.
Par ailleurs, pour s’assurer de la découverte d’une nouvelle particule ou d’un nouveau phénomène physique, il sera indispensable de l’observer au sein d’au moins deux expériences.
 
La conception de l’expérience
Seules deux expériences, Atlas et CMS, ont pour objectif d’identifier toutes les particules issues des interactions, et pour cela empilent des couches cylindriques de détecteurs autour de la zone d’interaction. On dit qu’elles sont « généralistes ».
Mais dans chacune, l’accent est mis sur des points différents : Atlas, grâce à son aimant toroïdal géant, pourra mesurer les trajectoires des muons avec une très grande précision ; CMS, avec son calorimètre électromagnétique à cristaux, compte identifier et mesurer les électrons et photons avec une précision inégalée. Les deux autres expériences, Alice et LHCb se concentrent sur des processus très spécifiques, et n’ont pas besoin de couvrir tout l’espace autour du point d’interaction. Les différents sous-détecteurs sont adaptés à ces besoins. Il y a également au LHC deux autres expériences, Totem et LHCf, qui se situent de part et d’autre du point d’interaction respectivement dans les cavernes des détecteurs CMS et Atlas. Elles ne verront que les particules émises très près de l’axe du faisceau.
 
 
Le LHC est encore en phase de tests (100 collisions/sec), il faudra deux ans pour une montée en intensité (14 Tev), c'est à dire un faisceau de 7 Tev contre un faisceau de 7 Tev, à 1 milliard de collisions/sec; il devrait pouvoir être utilisé 20 ans.
 
L'observation du Higgs devrait s'avérer très difficile et très rare quand même, étant donné qu'il devrait correspondre à une collision sur mille milliards, mais pas impossible , le nombre de collisions étant très élevé (700 millions/sec).
Il faudra être capable de trier les bons et mauvais évènements rapidement.
 
Tout ceci nous amène à parler de l'énorme quantité d'informations à traiter et à stocker : par exemple pour l'expérience Atlas, avec ses 700 millions de collisions/sec, on obtient 1 Gigabyte de données par seconde soit 2 Petabytes (peta = un million de GB) par an.
Tout le LHC correspondant à 10 Petabytes/an. Cela correspond comme image, à une colonne de DVD de 20km de haut par an (100.000 DVD par an).
 
On comprend bien qu'un seul calculateur ne peut pas gérer de telles quantités d'information; on va donc utiliser tout un réseau de calculateurs répartis dans le monde entier, c'est le fameux super réseau d'ordinateurs GRID.
 
 
Un rappel aussi sur les hadrons, ce sont des particules comme les mésons et les baryons (protons et neutrons constituants le noyau atomique) qui sont sensibles à l’interaction forte qui soude ces composants entre eux dans le noyau.
Les hadrons sont composés de quarks (ou d’antiquarks bien sûr), les gluons établissant la cohésion des quarks au sein des hadrons.
 
 
Film général sur le LHC expliquant tous les aspects
 
Film sur l’accélération des particules depuis la bouteille d’H jusqu’aux collisions. À voir absolument
 
 
 
 
Image : les différents accélérateurs qui mènent aux collisions finales.
 
Avant d’être injectés dans le LHC, les protons subissent une accélération progressive dans des boucles de plus en plus longues. Le booster, augmente l’énergie des particules jusqu’à 1,4 GeV.
Les protons sont ensuite injectés dans deux synchrotrons le PS et le SPS, portant leur énergie à 25, puis à 450 GeV.
 
Ils sont ensuite envoyés dans la dernière boucle, celle du LHC proprement dite, longue de 27 km! Leur vitesse se rapprochera alors de celle de la lumière.
 
 
 
 
 
 
En route pour l’expérience ATLAS, nous passons par le musée à ciel ouvert des anciennes expériences du CERN.
 
 
On y remarque notamment la grande chambre à bulle ainsi que les éléments des premières accélérations de protons.
 
 
 
 
 
 
 
 
LES AIMANTS.
 
 
Une partie du groupe pose devant une maquette des aimants supra conducteurs
dont nous ne pourrons pas voir la fabrication cette fois-ci.
 
 
Mais en compensation voici quelques explications sur ces aimants triés de la dernière visite :
 
Pour faire tourner des particules chargées dans le LHC, il n’y a pas d’autres solutions que de leur appliquer un champ magnétique grâce à des électroaimants supraconducteurs puissants. Ceux-ci comprennent des bobines constituées de câble électrique spécial, fonctionnant dans un état « supraconducteur ». le champ magnétique (8,3 Teslas) créé est 100 à 200.000 fois supérieur au champ terrestre.
 
Cela signifie qu’à une certaine température (très basse, -271K) le câble ne présente PLUS AUCUNE résistance, il ne peut donc pas chauffer et on peut en conséquence y faire passer un courant très important (près de 12.000 A !!!).
 
Pour garantir cette très basse température, on fait circuler de l’Hélium liquide qui refroidit ces aimants et la partie centrale des anneaux.
Cet Hélium, appelé superfluide, maintient la température à 2K, et l’intérieur de l’anneau du LHC, devient ainsi le point le plus froid de l’Univers, plus froid que l’espace ambiant à 2,7K !
 
L’anneau faisant 27km de long, il est composé de segments élémentaires dipolaires, les aimants de courbure (les principaux, de 15m de long 30 tonnes très légèrement courbes) et quadripolaires (qui concentrent les faisceaux) qui sont au nombre de près de 1700. en fait en comptant tous les autres petits aimants, il y en a beaucoup plus, près de 8000 en tout.
Photo : vue de la partie « froide » d’un dipôle.
 
 
 
Ce sont ces aimants (en anglais on les appelle cryomagnets) qui sont testés ici, ils utilisent des câbles en Niobium/Titane (Nb/Ti) ; qui possèdent la supraconductivité lorsqu’ils sont à –271°C. Ces câbles sont bobinés 100 fois afin de générer le champ nécessaire.
 
Le mélange Nb/Ti permet de faire passer un courant de 600A/mm2 !
Cela va permettre de pouvoir accélérer chaque faisceau à 7TeV  avant les collisions. (le TeV énergie extrêmement importante au niveau atomique, correspond à notre échelle à l’énergie d’un moustique en vol…)
 
 
Film sur l’installation du dernier aimant au LHC.
 
 
 
 
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VISITE DE L’EXPÉRIENCE ATLAS DU LHC.
 
ATLAS = acronyme de « A Toroidal LHC ApparatuS »
 
D’après le site du CERN :
 
ATLAS est l’un des deux détecteurs polyvalents du Grand collisionneur de hadrons (LHC).
Il étudie des domaines de physique très variés, de la recherche du boson de Higgs aux dimensions supplémentaires de l’espace-temps, en passant par les particules qui pourraient former la matière noire.
Les faisceaux de particules du LHC entrent en collision au centre du détecteur ATLAS. Les débris de collision ainsi produits forment de nouvelles particules, qui émergent du point de collision dans toutes les directions.
Six sous-systèmes de détection différents disposés en couches autour du point de collision enregistrent la trajectoire, l’impulsion et l’énergie des particules, ce qui permet d'identifier chacune d'elles.
Un énorme système d’aimants permet d’incurver la trajectoire des particules et, ainsi, de mesurer leur impulsion.
 
Les interactions produites dans les détecteurs d’ATLAS créent un énorme flux de données. Pour assimiler ces données, ATLAS utilise un système de « déclenchement » de pointe, qui indique au détecteur les événements devant être enregistrés et ceux devant être ignorés. Des systèmes complexes d’acquisition de données et de calcul sont ensuite utilisés pour analyser les événements enregistrés.
 
Mesurant 46 m de long, 25 m de haut et 25 m de large, et pesant 7000 tonnes, le détecteur ATLAS est le détecteur de particules le plus volumineux jamais construit.
Il se situe dans une caverne, à 100 m sous terre, à proximité du site principal du CERN et de la commune de Meyrin, en Suisse.
 
Plus de 3 000 scientifiques issus de 174 instituts, représentant pas moins de 38 pays, travaillent sur l’expérience ATLAS 
 
 
 
 
Salle de contrôle de l’expérience ATLAS
 
Cette salle est beaucoup plus active quand le LHC est en service , pour preuve cette photo prise lors d’une des premières collisions.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Puis direction l’ascenseur par groupe de 12 pour descendre à 80m dans la caverne comme ils disent.
 
Sa construction a été faite en partie sur place due à sa taille gigantesque.
 
On peut voir sur ce site les différentes étapes de sa construction. À voir absolument !
 
Avec un peu de chance on peut le voir ci dessous (sinon aller ici).
 
vidéo
 

 

 

 

 
 
 
Quelques mots sur les détecteurs composant Atlas (et CMS aussi) d’après le site du LHC :
 
La plupart des particules produites dans une interaction sont éphémères (elles vivent moins d’un milliardième de seconde !), mais, grâce à leur vitesse, peuvent parcourir des distances allant de quelques microns à quelques centaines de mètres avant de se désintégrer en particules stables comme des photons, électrons, neutrinos, neutrons ou protons. Un grand détecteur est un assemblage de sous-détecteurs adaptés à chaque type de particules et aux mesures que l’on veut faire.
 
Détection des traces : les trajectomètres
Les particules les plus éphémères ne parcourent qu’une fraction de millimètre, et sont identifiées par leurs produits de désintégration, des particules dont les trajectoires sont issues d’un point décalé du point d’interaction. Pour détecter ce décalage, il faut des détecteurs de traces très précis (quelques micromètres par point), et situés très près de l’interaction primaire (quelques centimètres).
Pour les particules traversant une partie de l’appareillage, des détecteurs de traces de très grand volume sont nécessaires (TPC, chambres à fils, etc.)
La mesure de l’impulsion des particules chargées se fait en imposant un fort champ magnétique autour de l’interaction.
Ces particules ont alors des trajectoires dont la courbure dépend de leur impulsion.
 
Mesure de l’énergie : les calorimètres
D’autres détecteurs mesurent directement l’énergie des particules, en les arrêtant totalement. Lors de cette absorption, l’énergie de particules est absorbée dans les matériaux du détecteur et donne un signal électrique dont l’amplitude est reliée à cette énergie.
Ces détecteurs sont appelés calorimètres, et suivant les particules que ces détecteurs peuvent arrêter totalement, électrons ou particules composés de quarks, ces calorimètres sont dits « électromagnétiques » ou « hadroniques ».
 
Particules pénétrantes
Seules quelques particules chargées, les muons, sont capables de sortir de ces « pièges calorimétriques ». Pour les identifier, on dispose un détecteur de trajectoires derrière un blindage, qu’elles seules peuvent traverser.
Un champ magnétique dans cet espace permet de courber ces trajectoires et donc de mesurer leur impulsion.
Enfin quelques particules échappent à toute détection, ce sont les neutrinos. Leur présence est signalée par le bilan énergétique global et la balance (somme géométrique) de toutes les impulsions, calculés pour toutes les particules issues de l’interaction.
On connaît l’énergie disponible au départ, qui doit être la même après la collision, et l’impulsion globale initiale est nulle pour une collision frontale des particules.
Un bilan énergétique incomplet associé à une impulsion manquante est la signature, indirecte, d’un neutrino.
 
Identification et filtre rapide
D’autres types de détecteurs peuvent apporter des indications plus précises sur l’identité des particules, ou bien sont utilisés pour faire un premier filtre des collisions, une sorte de tri précoce pour l’électronique de lecture des autres éléments.
L’identification peut reposer sur la corrélation entre la vitesse et l’impulsion, on dispose pour cela de détecteurs sensibles à la vitesse (effet Tchérenkov, compteurs de temps de vol, détecteurs de radiation de transition), ou bien passer par la mesure de l’ionisation produite par la particule, qui dépend de sa masse.
Les détecteurs de déclenchement (ou trigger) doivent avoir une réponse très rapide, ils n’ont pas besoin de précision spatiale.
 
 
De la (petite) plateforme on ne voit qu’une toute petite partie de l’expérience :
 
 
Vue de la plateforme, j’ai été obligé d’éclater la photo afin de voir les éléments A et B avec plus de détails.
 
A = on remarque les anneaux toroïdaux (les aimants) zébrés d’orange. Que l’on voit mieux ici pendant leur construction.
B = refroidissement cryogénique
C = Les chambres détecteurs de muons.
 
(photo JPDS)
Vue éclatée d’ATLAS.
 
Une autre belle vue éclatée.
 
 
 
Photo de droite de PB
 
 
 
 
Photo d’une petite partie de notre groupe ; en arrière plan, le bâtiment d’ATLAS, sur lequel l’instrument est représenté à l’échelle 1/3.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LA SALLE DE CONTRÔLE DU LHC.
 
 
La salle de contrôle du LHC est le centre névralgique des différentes expériences.
 
39 pupitres de contrôle et près de 1000 écrans, mais relativement peu de personnel, sauf pour les grands évènements, comme par exemple le jour du démarrage.
 
 
 
Une pose devant la salle de contrôle du LHC
L’intérieur relativement calme, même en période de fonctionnement du LHC, les bouteilles fêtent les différents évènements du LHC.
 
 
POUR ALLER PLUS LOIN SUR ATLAS :
 
Un superbe éclaté de l’instrument Atlas.
 
Boson de Higgs: une découverte du LHC selon Michel Spiro (CERN), article de Libération.
 
CR de la conférence de M Spiro sur le LHC et les deux infinis à la SAF.
 
Le site d’Atlas au CERN.
 
Atlas, c’est quoi ?
 
Les différents détecteurs d’Atlas (animation)
 
Latest Results from ATLAS Higgs Search 
 
What We Learned from ATLAS at Les Rencontres de Moriond 2013 
 
Atlas experiment and the Big Bang (video)
 
Atlas, démonstration en animation 3D (Vidéo)
 
 
 
 
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LA SALLE DE CONTRÔLE DE L’AMS.
 
 
Qu'est l'antimatière devenue? En effet, au début de l'Univers (le Big Bang) il y avait autant de matière que d'antimatière, mais notre Univers maintenant semble n'être qu'à base uniquement de matière, donc une question se justifie : où est l'antimatière????
 
Et bien on va essayer de répondre à cette question, ou plutôt de détecter des galaxies en "antimatière".
 
En effet, on pense qu'il existerait des galaxies très lointaines (elles ne peuvent pas être proches, sinon on les détecterait, de par leur émission X due au contact avec de la matière) faites d'antimatière.
Mais il n'est pas facile de distinguer, rien qu'en l'observant, une galaxie d'antimatière d'une galaxie de matière, il faudrait pouvoir Détecter des antiparticules ou des antinoyaux de matière, c'est le rôle de l'instrument suivant.
L'instrument chargé de cette détection est un spectromètre magnétique Alpha (AMS : Alpha Magnetic Spectrometer), en fait un détecteur de rayons cosmiques un peu spécial, dont on peut voir une représentation ci-après.
 
Un des derniers vols de la navette a envoyé cet énorme détecteur vers l’ISS, où il a été installé sur la poutre principale.
 
C'est le physicien, prix Nobel 1976, Samuel Ting du MIT qui a conçu la sonde AMS avec le CERN et l’Université de Genève, il la compare souvent à l'accélérateur du CERN, car ces deux dispositifs utilisent le même phénomène: un champ magnétique puissant pour dévier les particules et les détecter.
Le professeur Ting était actuellement eu CERN, mais nous ne l’avons pas rencontré.
 
(voir les explications plus techniques sur les derniers astronews sur le sujet ; ceux du mois d’août 2010 et ceux d’avril 2013.
 
Salle de contrôle de l’AMS. On voit dans le fond sur l’écran la position actuelle de l’ISS.
Détecteur = aimant affectant la trajectoire des cosmiques émis par les galaxies et les possibles anti-galaxies. Il a déjà comme on le voit détecté un anti-JPM
 
 
 
Il semble qu’après analyse de près de 30 milliards de particules ( !) dont 400.000 positrons, on ait détecté un excès d’antimatière d’origine inconnue dans le flux de rayons cosmiques.
Cet excès pourrait signifier la présence de matière noire qui n’avait jamais pu être directement mesurée.
 
L’AMS doit maintenant nous aider à trouver l’origine de cet excédent de positrons et valider l’hypothèse qu’il est bien lié à la matière noire (ou pas ! sinon autres possibilités : pulsars, étoiles à neutrons, sources compactes etc…) ; ce sera fait au cours des prochaines années car AMS a une durée de vie théorique de 10ans.
 
 
 
 
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LA CONFÉRENCE DE MICHEL SPIRO.
 
 
Michel Spiro, ancien Président du conseil du CERN, nous a reçu avant notre départ pour nous parler du futur du CERN et du LHC.
 
Nous lui avons offert quelques souvenirs de la part de la SAF et de l’Association Vega de Plaisir, dont un cadeau du Maire sous forme de livres dédicacés sur la ville.
 
 
Tous à l’écoute de M Spiro.
 
Michel Spiro étudie attentivement le livre sur la ville de Plaisir
Il nous explique les futurs projets
 concernant le CERN
 
 
Après avoir salué les prix Nobel 2013, Michel Spiro, nous indique qu’il reste quelques questions ouvertes suite à la mise en évidence du boson de Higgs.
Par exemple, est-ce le seul boson de Higgs ? y en a t il d’autres de beaucoup plus lourds ?
Va t on mettre au jour cette particule liée à l’inflation, l’inflaton ?
Supersymétrie, nouvelles dimensions….y a t il quelques chose au delà du modèle standard ?    Tout cela reste à découvrir.
 
Pour tout ceci, il nous faut plus d’énergie, c’est la raison de la maintenance actuelle.
 
 
La situation actuelle : après trois années d’exploitation, le LHC est en maintenance afin de le rendre plus performant et de pouvoir atteindre effectivement 2 x 7TeV.
Pendant la dernière semaine de fonctionnement du LHC, la quantité de données enregistrées dans les systèmes de mémoire de masse du CERN a franchi le seuil remarquable des 100 pétaoctets 
 
C’est le premier long arrêt de la machine (LS1 = Long Shutdown 1).
Toutes les soudures des aimants supra conducteurs vont être refaites notamment !
 
Voir le schéma des travaux à effectuer.
 
Redémarrage : début 2015.
 
 
Le futur du CERN :
 
 
Apparemment il y a deux nouveaux projets dans les cartons :
 
LE PROJET CLIC.
 
 
 
Le projet CLIC (Collisionneur linéaire compact) serait un collisionneur linéaire cette fois, où des électrons et des positons (antiélectrons) entreraient en collision à des énergies de plusieurs TeV.
 
Il se présenterait comme un accélérateur qui pourrait être construit en plusieurs étapes.
 
Le premier tronçon ferait 11km de long (tunnel) avec une énergie réduite.
 
La collision e- e+ est plus précise que celle de des protons et permettrait de mettre au jour plus facilement de nouvelles particules.
 
 
 
 
 
 
LE PROJET D’UN ANNEAU DE 80KM UN SUPER LHC.
 
 
On creuserait sous le Jura et sous le lac à l’aide de plusieurs tunneliers un anneau circulaire de 80km de circonférence similaire au LHC mais allant plus haut en énergie (100 TeV ?) pouvant permettre une nouvelle physique.
 
Il pourrait alternativement accélérer soit des e-/e+ soit des protons.
Comme ce sera un projet très coûteux, il faudra certainement faire rentrer l’Asie et les USA dedans.
 
Pour les deux projets une décision devrait être prise avant 2020.
 
 
 
 
 
 
 
 
Consolidation du LHC, animation à voir absolument.
 
Le LHC du Cern va faire peau neuve, article du Figaro.
 
Article de NBC sur le même sujet.
 
Une présentation du CERN et des projets actuels et futurs par M Spiro.
 
Pré projet de tunnel circulaire de 80km.
 
Perspectives en cryogénie et supraconductivité par Ph Lebrun CERN, à voir
 
 
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Ensuite nécessaire halte à la boutique souvenirs du CERN où nous pouvons dire au revoir et remercier comme il se doit Mick Storr pour ces journées magnifiques.
 
 
 
Peut être à une prochaine fois avec CMS et les aimants, on va y réfléchir !
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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LE TEXTE DE BERNARD LELARD LU PENDANT LE VOYAGE.
 
 
 
Voyage au LHC du CERN
Association d’astronomie VEGA avec Société Astronomique de France
Bernard LELARD
Genève 16 17 octobre 2013
 
Donc nous allons aujourd’hui à Genève, au CERN voir ATLAS un des 2 détecteurs qui a révélé le 14 juin 2012 à 19 H 02 des courbes statistiques dont les pics d’énergie trahissaient à 99,99.999% le passage furtif du fameux boson de Higgs. Yves Sirois nous disait il y a moins d’un mois que les journalistes de la Tribune de Genève remarquèrent vite qu’à partir de cette date il n’y avait plus une seule bouteille de champagne en vente à Genève et dans les villes françaises des environs. Nous avions nous mêmes remarqué en 2010 que le haut des armoires des salles de contrôle du LHC supportait beaucoup de bouteilles vides, collection que nous avions nous aussi enrichi et que nous enrichirons encore demain avec les bouteilles que nous transportons afin que les chercheurs boivent à la santé de nos associations. Il faut dire que la preuve de l’existence du boson couronnait une fantastique aventure de la physique qui progressa tout au long du 20 ième siècle et offrit au monde : télévision, GPS, Internet, scanner, IRM, Smartphones. Et pourquoi le boson de Higgs nous intéresse-t-il ? Parce que nous sommes astronomes et cosmologistes et que ce boson explique l’origine de la lumière et de la matière. Rien que ça.
Mardi 8 octobre 13 H 40 annonce du Prix Nobel 2013 à François Englert & Peter Higgs
"la découverte théorique d'un mécanisme qui contribue à notre compréhension de l'origine de la masse des particules subatomiques, et qui a récemment été confirmée par les expérience ATLAS et CMS au LHC du CERN"
Car c'est au boson de Higgs que l'on doit que notre univers ne soit pas resté une soupe informe. "Sans lui, nous n'existerions pas", ainsi s’exprimait Olga Botner du jury du comité Nobel dans son communiqué. La particule ainsi piégée au Cern a existé pendant les premières fractions de seconde après le Big-Bang soit lorsque l’Univers était âgé de 10-10 s et la température frôlait les 1015 degrés. A cette température ce qui existait ne pouvait être que symétrique. Il y aura toute une mathématique pour expliquer comment  briser cette symétrie en conservant les propriétés physiques (théorie de jauge). Donc Higgs va briser cette symétrie. Avant l’existence du boson l’U était constitué de photons et de quarks. On ne sait pas d’où il vient, pas plus que les quarks ou les électrons ou les photons originaux. Avant le travail d’Higgs, Brout, Englert, Guralnik, Hagen et Kibble la physique nous disait de quoi est faite la matière d’aujourd’hui, mais nous ne comprenions pas comment elle est apparue. Higgs a été le plus loin dans les calculs car il est le seul à avoir décrit le boson donc a orienté les recherches. Comment Higgs et les autres se sont intéressés à ce problème de naissance de matière ? Il faut savoir que l’U est constitué de matière et de 4 forces (provenant mathématiquement de champs) qui la mettent en mouvement et tiennent sa consistance. Au début il ne pouvait y avoir qu’une seule force et c’est pour aboutir à cette force primordiale que les chercheurs se sont penchaient sur la question. "Avant d'entrer en interaction avec ce champ qui, mathématiquement aura la forme d’un chapeau mexicain, toutes les particules sont dépourvues de masse et se déplacent à la vitesse de la lumière. Mais en traversant ce champ d'énergie elles se chargent d'une masse car la particularité du boson de Higgs est de relier les composantes gauche et droite de l'électron". Nous reviendrons là dessus.
Cette interaction fondamentale et les expériences du CERN permettent de recréer les conditions de l'origine de la matière, c'est-à-dire à un millième de milliardième de seconde après le BB et donc de fabriquer artificiellement un boson de H pour voir s’il a vraiment existé. Ce qui se passe dans les détecteurs du LHC a eu lieu à10-10 s. Ce que le satellite PLANCK a mesuré est à 10- 30 s. Et là où l’on bute est à 10-43s.
Nous allons comprendre qu’un boson est la signature d’un champ. C’est ce que les savants cherchaient et par nature un champ est impossible à détecter directement. D’où la construction à Genève du LINAC3, du PS, le SPS, le LEP puis du  LHC qui veut dire Large Hadron Collider, nous parlerons abondement de la signification de ces initiales.
Comprendre le boson de Higgs, ou plutôt BEH, ou plutôt, le champ de Higgs, champ scalaire, n’est pas facile. Pour exprimer un ensemble de forces qui provoque un mouvement (exemple un vent dans une chevelure, les vagues d’un océan) Faraday en 1821 observe à sa fenêtre du Surrey en banlieue de Londres un champ de houblons balloté par le vent. Il va appeler « champ », « field » en anglais, pour désigner les lignes de forces d’un aimant au voisinage d’un courant électrique qui ressemble à ses houblons ventés et parler de champ électrique et champ magnétique. Par là même il inventait le moteur électrique et la production industrielle d’électricité. Maxwell va ensuite mathématiser les champs de forces électromagnétiques en utilisant les nouvelles mathématiques des équations différentielles (rotations, divergences intégrales curvilignes). 
Un champ scalaire est ce que nous montre tous les soirs à la télé au journal de 20H les présentatrices de météo avec la carte de France des températures (le champ c’est l’espace de la carte + les valeurs des températures qui sortent de la carte), un champ vectoriel est, dans cette même émission, la carte avec les flèches représentant la direction des perturbations. Par contre dire que le boson de Higgs ou plutôt le champ de Higgs est comme l’eau d’une piscine où l’on nage difficilement sauf si on est poisson ou bien comme la difficulté de marcher dans la neige avec des raquettes (la neige est le champ), ou de skier selon le fart des skis ou d’entourer une célébrité qui passe ou la propagation d’une rumeur, le tout pour donner de la masse aux particules ne fait qu’embrouiller les esprits par des exemples simplistes et pas très justes sur un sujet par nature difficile à comprendre et tout aussi difficile à expliquer. Aussi si l’on veut que notre voyage soit instructif et ne se résume pas à des photos de tubes bleus, d’ascenseurs jaunes et de tores rouges quelques pré requis sont nécessaires. Je vais donc tenter de reprendre le déroulé d’une fantastique aventure scientifique qui marqua notre siècle.
Donc nous allons à Genève, plus grande ville de Suisse avec 195.000 habitants. Chacun sait que Genève abrite beaucoup de banquiers et d’exilés fiscaux. C’est la faute au roi Louis XIV. Il révoqua  l’Edit de Nantes (1598) de son grand père Henri IV  qui avait  mis fin aux Guerres de Religion. Les 300.000 élites du million de protestants français s’exilèrent pour partie à Genève (ville refuge de Calvin) pour les banquiers et surtout à Amsterdam pour les grands commerçants. De par la neutralité de la Suisse Genève est aussi une ville internationale depuis 1919 où, à la signature du Traité de Versailles, Wilson président américain, demanda la constitution d’une instance internationale, la SDN, Société des Nations, ancêtre malheureuse de l’ONU, devant siéger dans un pays européen non belligérant afin que la paix soit contrôlée. La SDN n’existe plus mais son « Palais des Nations » à Genève héberge un grand nombre d’organisations internationales : l’ONU (siège européen, HCR Haut Commissariat aux Réfugiés, aux Droits de l’Homme), Comité International de la Croix Rouge, l’OMS Organisation Mondiale de la Santé, le BIT Bureau International du travail, de la Météo, et le CERN, Organisation Centre Européen de Recherche Nucléaire regroupant les budgets de 20 états européens. Le C n’a plus de signification, de même que N car les recherches portent sur les composants de la matière et non sur l’usage des rayonnements.
Le CERN, fondé en 1952  à l’initiative du français Louis de Broglie (prix Nobel 1929), a pour vocation la découverte des constituants et des lois de l’Univers. Il utilise des instruments scientifiques très complexes, des accélérateurs et des détecteurs pour sonder les constituants ultimes de la matière : les particules fondamentales. Ses moyens de calculs sont mondiaux grâce à Internet inventé pour mutualiser les laboratoires de chercheurs à travers le monde. Internet fut à l’origine inventé par le CERN en 1990 par Tim Bernes Lee.
Pourquoi donc des astronomes s’intéressent-ils au boson de Higgs presqu’autant qu’aux anneaux de Saturne ? Cela vient sans doute de notre contemplation du ciel et de la remarque de Leibniz en 1740 contemplant lui aussi notre ciel au temps heureux où les savants étaient d’abord les philosophes : « Pourquoi y a t-il quelque chose plutôt que rien ? ». Le début de la réponse vient de la vitesse limitée de la lumière. Observer le ciel c’est donc observer l’histoire et donc vient l’idée d’un début de cette histoire. Les calculs de l’abbé Lemaître conduisant à l’expansion de l’U et donc son début invite  à découvrir les balbutiements du jeune Univers fait de plasma de gluons et un champ de force peut être unique. Mick Storr, qui va nous accueillir ce soir, me disait en 2010 : »nous travaillons pour vous les astronomes ». Avec le LHC on va recréer les conditions initiales en énergie et température d’une fraction de seconde du BB où les éléments internes des atomes étaient dissociés. L’inflation, confirmée en mars dernier par Planck, va refroidir l’Univers naissant et libérer et composer ces éléments.
 
Parler du boson de Higgs c’est comprendre d’abord cette chose inimaginable: les atomes ont un noyau et ce noyau lui même renferme d’autres éléments, les particules, tout aussi invisibles et au comportement probabiliste. Comment un savant, dans son laboratoire, son bureau ou en promenade, a pu un jour imaginer que l’atome grand comme 1/10 de millionième de millimètre renfermait un noyau en son centre.
La renaissance du concept d’atome, datant de 5 siècles avant JC, commence par la Révolution Industrielle en Angleterre où les savants d’alors voulaient comprendre  la composition de la vapeur des machines de Watt qui faisait bouger les bielles et avançait les premières locomotives. Parmi eux l’Autrichien Boltzman qui osa dire que la dite vapeur était composée d’atomes. En 1900 on ne connaissait encore rien des atomes. Il y eut même en en France une lamentable campagne contre l’existence des atomes. Le grand chimiste Berthelot, secrétaire de l’Académie des Sciences, refusait tout article parlant d’atomes. Ministre de l’Instruction Publique il interdisait que l’on en parlât dans les programmes. Honteux de cet épisode Claude Allègre, alors ministre de l’Education Nationale, a voulu faire déboulonner la statue d’Auguste Comte, leader antiatome, de devant la Sorbonne. Il n’y parvint pas mais il réussit à la changer de sens, la statue tourne désormais le dos à l’université. Désespéré lui aussi  par l’imbécillité de ses collègues conservateurs  Ludvig Boltzman se suicide à Vienne en 1906 en demandant que sa formule logarithmique sur l’entropie soit inscrite sur sa tombe. Se faisant il ignorait qu’un jeune de 26 ans nommé Einstein venait de démontrer l’année précédente que les grains de pollen du botaniste Brown ne pouvaient s’agiter que par l’action des atomes de l’eau où baignait le pollen. Jean Perrin démontra en 1908 par l’expérience l’existence des atomes d’Einstein. La ronde de 54  prix Nobel liés aux particules pouvait commencer.
A cette époque, Ernest Rutherford, (prix Nobel de chimie 1908 sur la nature des particules alpha) au Cavendish Laboratory à Cambridge, avec Joseph John Thompson lui aussi prix Nobel pour la découverte de l’électron (1897), étudiait l’effet ionisant sur les gaz des rayons que Röntgen baptisa X par manque d’inspiration. Rutherford imagina alors plusieurs expériences pour comprendre l’action sur la matière des rayonnements découverts par Marie Curie. En 1911,  en bombardant une feuille d’or avec des rayons alpha, il remarqua que certains rayons rebondissaient alors que d’autres traversaient la feuille. Rutherford eut alors l’intuition qu’il y avait quelque chose à l’intérieur des atomes de la feuille qui faisait rebondir certaines particules de radium et en laissait passer d’autres Ancien agriculteur néo zélandais, par référence aux cerises, il nomma « noyau » cet obstacle et il calcula qu’il concentrait presque toute la masse et toute la charge positive de l’atome électriquement neutre, les électrons situés à l’extérieur déterminant de fait la taille de cet atome. La taille d’un atome varie entre10 puiss-11 et -10, le noyau entre 10 puiss-15. Le noyau d’atome d’H est 40… fois plus petit que l’atome lui même.
Ainsi Rutherford avait démontré que :
Que la matière est vide puisque la plupart des particules passent à travers sans interaction, ce qui signifie qu’elle est concentrée dans des petits volumes (pour comprendre : Si les protons et les neutrons avaient un diamètre de 10 cm, les quarks et les électrons mesureraient moins de 0,1 mm et un atome entier ferait environ 10 km de diamètre. Un atome est constitué à plus de 99,99 % de vide).
Que certaines particules sont diffusées de manière "violente", jusqu’à parfois faire demi-tour
Que le fait que les électrons ne soient pas mélangés avec les noyaux et sont situés à des distances de ce noyau beaucoup plus grandes que sa taille fut une surprise
Rutherford mettra 2 ans à trouver un modèle ressemblant au système solaire qui se révèlera faux bien qu’on l’utilise encore par facilité.
8 ans plus tard, Rutherford, dont la spécialité était le bombardement des atomes, découvre que le noyau de l’atome d’hydrogène se trouve aussi dans les autres atomes. Il remarque que lorsque des particules alpha sont envoyées dans un gaz d'azote, ses détecteurs de scintillation indiquent la signature de noyaux d'hydrogène. Il détermine ensuite que cet hydrogène ne peut provenir que de l'azote. Ce noyau d'hydrogène est donc présent à l'intérieur d'un autre noyau. Rutherford baptise la particule correspondante du nom de proton, d'après le mot grec pour « premier », πρῶτον. Il faut noter que presque tout le vocabulaire scientifique vient, depuis le XVIIIème  siècle du grec, juste reconnaissance car ne connaissant pas de scientifique romain le latin ira enrichir surtout le vocabulaire juridique, militaire et administratif, grandes spécialités des Romains.
Rutherford était devenu  très célèbre et un jeune étudiant danois, Niels Bohr prix Nobel 1922, obtint une bourse pour étudier à Cambridge avec Thomson. Ne supportant pas le caractère irascible de Thomson Bohr, il part à Manchester. Bohr réfute immédiatement le schéma, style système solaire, de l’atome de Rutherford qui, selon les équations de Maxwell, ne peut pas être stable (un électron tournant provoque un courant électrique, consomme de l’énergie et donc tombe sur le noyau, ce qui n’est pas ce que l’on observe). Adepte des sauts quantiques, il  propose que les électrons soient sur des niveaux d’énergie comme les étages d’une tour. Lorsque ceux ci change de niveau à l’occasion d’une collision extérieure, il y a émission d’une particule que Gilbert Levis en 1922 appellera « photon » du grec « photos : lumière ». C’est la manifestation du discret et du continu. Jusqu’alors la physique utilisait des valeurs continues avec des fonctions continues où à partir d’une position on en déduisait la suivante. Là les phénomènes procédaient par saut imprévisible. Ce sera la grande querelle des anciens et des modernes  illustrée en 1927 par la confrontation  d’idées Bohr Einstein (Dieu ne joue pas aux dés), avec la réplique de Bohr : « Cessez Einstein de dire à Dieu ce qu’il doit faire ». Bohr était croyant, tout comme Rutherford. C’est la séparation des physiques : la mécanique relativiste est déterministe, la mécanique quantique est probabiliste.
En 1924, le physicien français Louis de Broglie, prix Nobel 1929 émet l'hypothèse que toute particule doit être associée à une onde semblable à la lumière.
Le mouvement va s’accélérer et se fixer pour un temps avec le trio Heisenberg, Schrödinger et Pauli. On remarquera que cette génération de chercheurs germaniques voulait, avec Einstein, effacer par la science les horreurs de la guerre 14 18 issues de leurs pays. C’était l’apogée alors des universités d’Heidelberg et de Göttingen. 
Heisenberg, prix Nobel 1932, jeune mathématicien contrarié, veut travailler avec Bohr, de retour à Copenhague, en appliquant la théorie des matrices sur les paramètres des particules incontrôlables, celles ci remplissant tout l’espace, en introduisant des probabilités de présence et en évacuant les représentations par point de la mécanique classique. A la suite d’une retraite studieuse en 1927 sur les falaises de  l’île d’Héligoland en Mer du Nord (il était gravement allergique au pollen et l’air sur l’île était pur) il déduit que les particules sont et seront invisibles car apparentées à des objets mathématiques. Les expérimentateurs les devineront par leur trace, leur masse, leur charge auquel Pauli rajoutera le spin. Heisenberg  énonce alors son « Principe d’Incertitude » par une formule disant qu’il y a incertitude sur la position, la vitesse, l’énergie des particules. C’est la non localisation ou encore appelée l’intrication quantique. Il introduit, en même temps que son adversaire Schrödinger, la notion que le comportement d'un électron dans un atome est décrit par une orbitale qui est une distribution de probabilité de présence plutôt qu’une orbite.
Pauli, prix Nobel 1945, redéfinit en 1924  le spin d’une particule, notion compliquée qui permit d'expliquer la structure hyperfine des spectres atomiques (l’effet Zeeman). Le mot spin (rotation en anglais) est tout aussi impropre que « trou noir » car on a cru un moment que l’électron tournait sur lui même comme la Terre. Pour simplifier cette notion complexe, disons qu’il s’agit d’un  degré de liberté supplémentaire détectable.  Pauli énonce alors le « Principe d’exclusion » : les électrons ne peuvent pas se trouver au même endroit dans le même état quantique. En mécanique quantique, il n'est pas possible de supposer que les grandeurs physiques telles que la position ou la vitesse aient une valeur définie que l'on puisse mesurer sans perturber le système. L'état du système doit donc être défini indépendamment des grandeurs physiques observables: spin,  charge,  masse (ou son équivalente : l’énergie). D’où l’importance de l’étude des champs. Ce sera la base du champ de Higgs et des recherches de son boson.
De ces découvertes fondamentales plusieurs problèmes surgissent : comment décrire par des champs des mouvements incontrôlables par coordonnées, comment décrire des particules issues de ces champs, en conservant l’énergie, l’impulsion, la charge, le moment. La physique mathématique  prendre le relai.
Arrive alors les clés de toutes les futures recherches du neutron, du neutrino, du muon non encore découverts à cette époque, au futur boson de Higgs : « la théorie quantique des champs » QFT et le fameux théorème d’Emmy Noether sur l’invariance de jauge : les symétries sont équivalentes à la loi de conservation. Il faut donc un outil capable de décrire un champ dont les caractéristiques étaient totalement libres dans toutes les directions à la fois.
Pour cela il faut recourir à des notions mathématiques difficiles comme les lagrangiens, les hamiltoniens, les diagonalisations de matrices, toutes notions imprimées sur les T-shirt et les muggs que vous achèterez à la boutique du CERN.
Ainsi les photons  ne sont plus considérés comme des « petites boules de billard » : ils sont considérés comme des champs quantiques dont les  « excitations » ou « oscillations » 'ressemblent' à des particules. C’est ce que nous expliquait au FIAP  Yves Sirois les bras en l’air et les yeux fermés tellement la QFT était importante pour lui dans sa quête du boson de Higgs. Ce fut aussi notre brusque révélation car on nous l’avait jamais dit. Tous les électrons de l’U sont donc identiques dans tout l’U car issus d’un même champ, le champ électron.
Les particules sont considérées comme des états excités d'un champ (champ quantique), propriété qui sera démontrée plus tard en 1937 par Winger, autre Prix Nobel.
Erwin Schrödinger, prix Nobel 1933, publie une équation d'évolution de la fonction d'onde associée à l'état d'une particule. Paul Dirac, prix Nobel avec Schrödinger, formula une théorie quantique enfin mathématiquement cohérente en réconciliant les idées de Schrödinger et Heisenberg. Son équation traduira le comportement de particules comme l’électron à partir de l’équation de Schrödinger et de la relativité. En 1928, il déduit du travail de Pauli sur un système de spins une équation relativiste décrivant l'électron. Cela permet à Dirac de prédire en 1931 l'existence d'une particule appelée positron, l'antiparticule de l'électron. Dirac venait de découvrir l’antimatière.  Étudiant lui aussi les expériences de Marie Curie, lors d'une expérience en 1932, Chadwick, qui bombardait du béryllium avec des particules α, remarqua une radiation inconnue qui éjecte des protons du noyau. Chadwick en conclut que ces radiations étaient composées de particules de masse approximativement égale au proton mais sans charge électrique, les neutrons. Prix Nobel 1935.
En conséquence de ces avancées théoriques les premiers expérimentateurs construisent les détecteurs des particules sorties des équations. Dès 1912 Charles Wilson (prix Nobel 1927) avait imaginé la chambre à bulles qui permit à Anderson en 1932 de découvrir le positron (l’anti électron) en étudiant les photons des rayons cosmiques. Prix Nobel 1936.
En Angleterre, Cockcroft et Walton toujours en 1932, réalisèrent la première désintégration réussie du noyau par des particules électriquement accélérées. Ils utilisèrent un multiplicateur de tension à l'aide d'un montage compliqué en forme de colonne de redresseurs et de condensateurs qui trône aujourd’hui à l’entrée du Musée des Sciences de Londres.  Prix Nobel 1951.
En 1931 Orlando Lawrence invente le cyclotron à Berkeley pour fracasser des particules en frontal grâce à une très forte tension électrique afin d’en analyser les morceaux. Lawrence aura le prix Nobel en 1939. L'énergie des particules ainsi accélérées se mesure en électron-volts (eV). L’électron volt, dont on se sert pour annoncer la puissance d’un accélérateur (14 TeV, eV puissance 12, mille milliards, pour le LHC) est l’énergie d’un électron entre une différence de potentiel de 1 volt.  Les expériences vont se multiplier grâce à l’invention des détecteurs avec des chambres à fils  reliés à des ordinateurs et inventés par français Georges Charpak (prix Nobel 1993).
Les découvertes vont s’accélérer par l’étude des impacts des rayonnements nucléaires. La désintégration beta (provoquée par l’émission d’un électron ou d’un positron) verra Pauli imaginé le neutrino (l’énergie manquante est emportée par une particule), Fermi en 1934 trouve que la désintégration beta vient de l’échange d’une particule entre le proton et le neutron (ce sera bien plus tard le boson W). Prix Nobel 1938.
Les théoriciens reviennent :
Hideki Yukawa, professeur à l’université d’Osaka au Japon prévoit une  théorie des forces nucléaires fortes  avec une particule intermédiaire, le méson,  de masse intermédiaire entre celle du proton et de l’électron qui sera découverte en 1947 par Carl Powel dans les rayons cosmiques. Prix Nobel 1949.
Richard Feynman apporta en 1942 un corpus décisif à toutes les recherches sur la physique des particules. il reformula entièrement la mécanique quantique à l'aide de son intégrale de chemin qui généralise le principe de moindre action de la mécanique classique et inventa les diagrammes qui portent son nom et qui traduisent par des graphes les désintégrations de particules. Feyman invente aussi la chromodynamique des champs (QCD) pour décrire la force d’interaction forte pour comprendre la structure des hadrons (protons, neutrons).
Feynman  avait pour voisin de bureau au Caltec à Los Angeles le très sérieux Murray Gell Mann autre génie, seul survivant aujourd’hui de cette aventure, à qui il faisait peur en criant dans les couloirs et en jouant du tamtam dans son bureau  souvent rempli de filles. La profusion des particules découvertes dans des accélérateurs toujours plus puissants donnait une impression de domaine à la dérive et immaîtrisable.  Bref on n’y comprenait plus rien. Le physicien Isaac Rabi, spécialiste des forces dans les noyaux dit même un jour : « Who ordered that ? » Murray eut alors l’idée de classifier les particules en fonction de leurs caractéristiques en utilisant la théorie mathématique des ensembles énoncée par Galois en 1832 et améliorée par le norvégien Sophus Lie. Murray établit en 1961 une classification des nouvelles particules découvertes  en utilisant les propriétés de symétrie d'ordre trois du groupe SU(3) car tout est symétrique dans l’U du début. Mathématiquement S vient de « spécial » et U vient de « unitaire », afin de rappeler les transformation en rotation du mouvement des particules qui répondent à des groupes non abéliens. Ainsi naquit les fermions, particules de matière de spin demi entier qui se repoussent et les bosons à spin entier qui s’agglomèrent.  Dans la classification, certaines places pour de nouvelles particules étaient encore libres. La découverte en 1963 par un groupe de chercheurs de Brookhaven de la particule Ω-, prévue dans cette classification, confirma le classement de Gell-Mann.
La théorie du groupe de symétrie SU(3) permit à Gell-Mann de proposer l'existence de nouvelles particules, appelé quarks, particules constituant les neutrons, les protons et toutes les particules massives appelées hadrons (le H de LHC). Avec la théorie de Fynmann les différents quarks prirent les couleurs rouge, bleue, verte. Ainsi naquit la notion de Modèle Standard qui est une théorie des champs quantiques. Les quarks sont les composants aujourd’hui ultimes des nucléons (protons, neutrons). L'existence des quarks sera mise en évidence en 1969 par James Bjorken et Richard Feynman à l’accélérateur de Chicago.
En 1954 les physiciens Yang et Mills imaginent une force initiale unique débouchant vers une théorie de jauge (cad de mesure et de localisation par des champs) pour obtenir une description cohérente de la force nucléaire responsable de la cohésion des protons-neutrons dans le noyau. Ils appliquent  le théorème de Emmy Noether. Ce théorème énonce des symétries dans l’espace qui préservent les lois de conservation (énergie, impulsion, moment) ainsi que la charge nécessaire pour l’interaction de l’interaction électromagnétique.  Donc voilà où nous en sommes:
Toutes les particules de matière (les fermions) ou d’interactions (les bosons) sont des quanta d’excitation de champs. Ces champs sont présents dans tout l’Univers et peuvent osciller et interagir entre eux.
Universalité des particules : les électrons sont exactement identiques dans tout l’Univers car tous quanta (oscillation minimale) d’un seul et même champ F. Wilzeck, Nobel 2004.   
Le Modèle Standard, en 1963, a donc 4 forces dont la gravité, mais cela semble un système physique boiteux.  Certains chercheurs pensèrent alors que ces 4 forces devaient être réunies en une seule force au début du BB. En 1963 Sheldon Glashow propose que la force nucléaire faible et la force électromagnétique peuvent être réunies en une seule force dont les bosons seraient W + et - et Z de masse très élevée. Le problème principal de la théorie électrofaible de Glashow est que les particules qu'elle décrit sont sans masse, ce qui est en désaccord avec la réalité.
Le hic est qu’il faut aussi réunir le boson photon de masse nulle de l’électromagnétisme avec les bosons W et Z de masse élevée. C’est impossible à cause du photon donc les forces sont inunifiables. De plus avant la séparation des forces à 10 puiss-10 l’U est symétrique parce que les masses sont nulles. Si pas de masse : pas de matières. Il s’agit de masse inertielle (celle qui résiste à l’accélération). Comment donner des masses sans briser la symétrie ? Les premiers à y penser sont Anderson, Nambu et Schinger.  L’écossais Peter Higgs, chercheur à Edimbourg va alors proposer une solution, ainsi que les Belges Brout et Englert de l’Université Libre de Bruxelles. Dans les instants très proche du BB l’Univers était très chaud, composé d’un plasma de gluons (étudié par le détecteur ALICE et d’une seule force : c’est le refroidissement dû à l’inflation qui les a dissocié.
Higgs annonce en août 1964 un mécanisme qui permet d’avoir des forces totalement unifiées à haute température, mais dissociées à basse température (la clé est là) – un champ variable selon la température -. Cette dissociation se manifestant notamment par le fait que les bosons W et Z doivent acquérir une masse à basse température. Higgs est le seul à décrire le boson qui portera son nom.
 
Pour que les bosons W et Z acquièrent de la masse, on va imaginer les mettre dans un champ analogue à une mélasse ou un espace visqueux. La masse, c’est quelque chose qui s’oppose au changement dans le mouvement, une accélération, et pour donner une illusion de masse à une particule, on peut la faire interagir avec ce champ, qui va jouer un rôle analogue à de  la mélasse. En langage de physicien c’est une fluctuation de l’énergie du vide. Dans l’Univers le vide n’est pas totalement vide car il y a toujours des particules résiduelles en mouvement non détectables. Par ailleurs l’état fondamental d’un champ est son état de plus faible énergie. Toute la difficulté, c’est faire en sorte que le champ recherché crée bien une mélasse à basse température, mais pas à haute température. Or la mélasse n’est pas l’état naturel d’un champ. Exemple le champ électromagnétique : si on ne fait rien pour le stimuler ou le créer, il sera nul et ne freinera pas. On dit que l’état fondamental du champ électromagnétique est zéro. Mais avec le champ de Higgs, pour avoir de la mélasse sans rien faire, il nous faut aussi un champ dont l’état fondamental soit non nul. Enfin seulement à basse température, car on ne veut plus de mélasse à haute température. Ce double état changeant s’appelle une brisure de symétrie. Représenté par un chapeau mexicain où les particules du début vont glisser de haut en bas selon la température. La brisure de symétrie se dit aussi « transition de phase », phénomène analogue à l’eau qui passe de liquide en glace ou en vapeur.
En introduisant le champ de Higgs avec la bonne forme de l’énergie à haute et basse température, on créé la mélasse qui va freiner les bosons W et Z, et donc les agglomérer et donc leur donner de la masse par condensation. En prime il donnera de la masse aux autres particules sauf pour le photon qui ne sera pas couplé avec le champ.
Le processus est alors le suivant :
Le satellite Planck nous a dit que ce que l’on appelle improprement BB est à -13, 87 milliards d’année avec une température inimaginable et inmesurable entre 10 puiss30K° et 10 puiss16K° (on aboutit à ces chiffres avec les équations de thermodynamique)
A t= un peu avant 10-12 s (un millième de nanoseconde) l’Univers se refroidit (l’histoire de l’U est un refroidissement), donc les particules actuelles sont sans masses car désordonnées (quarks baladeurs, électrons baladeurs, neutrinos baladeurs)
A t= 10-12s entrée en action du mécanisme de Higgs, processus analogue à la condensation de vapeur d’eau quand la température baisse, le vide acquiert une tension interne
A t= plus de 10-12s après le mécanisme de Higgs le vide se condense autour des particules : elles ont une masse et ne vont plus à la vitesse de la lumière, sauf les photons
A t= 2012 ap JC les physicien vont prouver ce mécanisme
Qu’a publié Higgs et les autres ?
 
Un Lagrangien (formule d’équations différentielles décrivant des mouvements) englobant les champs décrivant les champs de toutes les particules, le tout en 4 lignes figurant sur les muggs et les T-shirt que vous achèterez au Shop.
 en 1 : la dynamique des champs de bosons de jauge
en 2 dynamique des champs de fermions
en 3 interaction des champs de fermions avec le champ de Higgs (donnant la masse des fermions)
en 4 propagation du champ de Higgs ( cad masse des bosons de jauge) et potentiel de Higgs (le chapeau), c’est à dire la brisure de symétrie
Sans les maths : pas possible d’expliquer ces phénomènes, il en est de même pour l’astronomie comme le mesure les gentils lecteurs de mes astromaths sur le site de Jean Pierre.
L’article original de Higgs est exposé dans la sphère musée où se trouve aussi le premier poste internet et la bouteille rouge d’H point du départ des protons. A visiter absolument.
Le modèle standard ne prévoit pas la masse exacte (seulement sa gamme de masse entre 115GeV et 140 GeV) du boson de Higgs, seulement ses propriétés de désintégration. Son spin est à zéro (puisqu’il est en CDD).
Le boson de Higgs, se désintègre en 2 W et 2 g ou un quark top et 2 g ou 4 muons, etc…
Au LHC on va sélectionner à forte énergie 2g ou 2 ZZ donnant 2 électrons   et  2 muons.
Pour cela on va éclater par collision frontale 2 protons (encore appelés hadrons, d’où le nom LHC, L pour très grand, C pour collision, H pour Hadron- lourd en grec)  lancés à presque la vitesse de la lumière sous ultra vide à travers deux tubes parallèles de 1m en diamètre qui se croiseront dans des détecteurs. On applique les 2 principes : un champ électrique accélère une particule chargée, un champ magnétique courbe sa trajectoire. Les protons tourneront donc en sens inverse dans un anneau gigantesque de 27 km de long à 100 m sous terre afin de protéger l’expérience des perturbations extérieures. La collision s’effectuera dans la chambre centrale d’un détecteur où la température de collision sera 100.000 fois supérieure à celle régnant au centre du Soleil. Ce détecteur sera constitué d’une structure cylindrique à pelure d’oignon. Chaque pelure sera dédiée à la détection d’une particule particulière lorsque celle ci la traversera à chaque collision. Cette pelure émettra alors un signal qui sera stocké dans un ordinateur. Les types de pelure sont : trajectographe, calorimètre magnétique, calorimètre hadronique, aimants supraconducteur, chambres à muons. Les éléments les plus spectaculaires sont les chambres à muons. Chaque pelure est reliée à un ordinateur qui analysera les caractéristiques de la particule (énergie,  position, type). Le logiciel contient 5 millions de lignes de code, 20 ans de développement.
Les détecteurs :
En fait on va donc construire 2 grands détecteurs de collision de technologie différente afin d’être sûr que le boson ne soit pas fabriqué par un détecteur unique. Les différences de technologie porteront sur la production du champ magnétique nécessaire pour piéger les muons. Pour CMS (Solénoïde Compact à Muons) (11.000 tonnes) le champ sera celui d’un solénoïde géant, pour ATLAS le champ sera toroïdal. Il y aura sur l’anneau 2 autres détecteurs : ALICE (collision d’ion de plomb pour étudier le plasma et les gluons du BB) et LHCb pour l’étude de l’antimatière, tous deux de conception française.
ATLAS, (A Toroidal LHC ApparatuS) de conception française, par exemple, regroupe plusieurs types de détecteurs rassemblés dans un cylindre de 40 m de haut, 55 m de long (la nef de la cathédrale ND de Paris à 100 m sous terre, pesant 7.000 tonnes; c'est un assemblage de plus de 100 millions d'éléments de détection, qui fourniront chacun 40 millions de mesures par seconde. Près de 2 000 physiciens et ingénieurs travaillent depuis dix ans sur ATLAS, dont le coût est de 350 millions d'euros. Le coût total du LHC, lui, est d'environ 3 milliards d'euros. Budget de fonctionnement 700 millions €.
Le grand atout du LHC : la puissance de la grille de calcul (les Américains ont échoué par manque de puissance de calcul). Il y a 25.000 PC au LHC reliés par internet à 12 gros  centres de calcul dont le plus gros est en France à Lyon (IN2P3). Il est impossible de sélectionner un seul proton (en fait : on injecte 2808 paquets de 100 milliards de particules). Le CERN au cours de son histoire a construit plusieurs accélérateurs avant le LHC et ceux ci sont mis à contribution pour monter en accélération en se passant les paquets d’accélération en accélération. Car l’expérience de collision de protons est aléatoire, donc non reproductible, dont on va travailler par statistique et le résultat final sera une courbe de probabilité de présence voisine de 1 à 5 sigmas, c’est à dire 99,99999%. Aujourd’hui on dépasse 7 sigmas (99,9.999.999%). Il faudra donc un très grand nombre de collisions et sachant qu’isoler un seul proton est impossible on va travailler par essaim et il faudra trier les bonnes collisions et éliminer sur place les mauvaises (le LHC est une gigantesque poubelle informatique). En 2 micro s il faut éliminer 99,9% des évènements, en quelques millisecondes il faut éliminer 99,99.999%. C’est à dire enregistrer 1 événement er en rejeter 10 millions. Isoler le bon signal est donc le plus difficile, la sensibilité des détecteurs et du logiciel est le rapport signal/bruit de fond (le quark top est un vrai parasite). Le bruit de fond ce sont les évènements similaires à ce que l’on cherche. Les détecteurs ATLAS et CMS ont 150 millions de capteurs enregistrant 40 millions mesures par seconde. Filtrées par logiciels il restera 100 collisions analysables. Après les bons évènements sont transmis aux analystes dans différents labos.
La grande difficulté, et donc l’originalité, sera d’atteindre une énergie gigantesque voisine de celle du BB. Pour cela on va accélérer dans le grand anneau 2 faisceaux de protons hadrons tournant chacun en sens inverse de l’autre dans 2 petits tubes parallèles et voisins jusqu’à que l’on provoque une collision. Toute la difficulté vient de l’atteinte d’une vitesse très proche de celle de la lumière (300.000 km/s).
Pour atteindre la vitesse de la lumière : les protons passent à travers 4 grosses enceintes argentées qui délivrent 500.000 volts pour accélérer les protons (d’où le nom d’accélérateur) à chaque passage dans le grand anneau. L’avantage d’un anneau est le passage cyclique à l’accélération électrique : pour un accélérateur linéaire il faut des accélérateur tout le long du parcours. L’anneau n’est pas un cercle mais 8 arcs octants avec des circuits d’injection à chaque départ d’octants. C’est analogue au périphérique parisien : les véhicules circulent en sens inverse et en 4 point on croise la circulation provoquant des collisions. 100 m sous terre est une moyenne, en fait il est à 175 m en France et 45 m près du lac Léman. La grande difficulté est la focalisation (la collimation) des faisceaux car si celui ci dévie des protons arracheraient des particules aux parois. Bien collimatés les faisceaux produisent d’avantage de collisions car il faut un maximum de collision pour avoir la chance d’en trouver une d’analysable (des centaines de chercheurs à travers le monde par internet vont interpréter les analyses). C’est la mise en lumière concentrée par des aimants quadripôles. Il y a 9.600 aimants disposés sur l’anneau. 392 aimants quadripôles vont concentrer les faisceaux. Les aimants sont fabriqués sur place, transportés et descendus par des cavités spéciales avec des grues spéciales. Nous visiterons l’usine sur place. Un proton fait 11.245 tours du LHC par s. Les aimants sont placés dans des cavités cryogéniques à –271°,3 pour faciliter la supraconductivité du courant électrique circulant autour des anneaux et aussi éviter l’échauffement. Le moindre dysfonctionnement (sur 27 km !) provoque la congélation du système (incident de septembre 2008 sur 200m). Chaque faisceau est composé de 2800 (1400 dans chaque sens) paquets de 100 milliards de particules tellement petites qu’une vingtaine de collisions pour 200 milliards a lieu. En tournant les paquets font 7 cm mais à l’approche de la collision on les réduit à 20 microns pour avoir le plus de collisions possible. Chaque seconde 2 à 300 évènements sont analysés, d’où l’on retiendra 25 collisions PP parmi un bruit de fond gigantesque représentant des collisions ou des particules parasites comme les gluons. Par chance il peut y avoir un candidat Higgs par expérience. Un faisceau peut tourner pendant 10H après il est éjecté dans un tunnel poubelle de 350 m avec au bout un bloc de graphite de 8 m de long tenu par 35 bloc de béton. L’énergie alors est celle d’un TGV à 150 km/s. 
Au départ les protons libérés d’une bouteille d’H  passent successivement dans le  LHC contient un 9600 d'aimants supraconducteurs pour guider en tournant les essaims de protons, pour atteindre un champ magnétiques de 8,33 telsa, chacun d'eux refroidis à 1,9° kelvin, soit -271,25° Celsius, faisant du LHC le plus grand système de refroidissement jamais réalisé. Des températures aussi basses, nécessitant 120 tonnes d'hélium liquide pour être obtenues, sont nécessaires pour atteindre la supraconductivité, c'est-à-dire, une résistance nulle au passage du courant électrique. Les forts courants électriques produisent alors les puissants champs magnétiques requis. Le LHC est l’endroit le plus froid de l’Univers. Le bobinage des câbles est le point le plus sensible (1 câble a 36 brins torsadés de 6400 filaments de 7 microns de diamètre : c’est là où se situe les pannes). La prouesse technologique réside dans la conception et la construction de l’anneau plus que dans les détecteurs.
Donc pour courber la trajectoire des protons autour de l'anneau, l'accélérateur utilise 1232 dipôles magnétiques de 15 m de long de couleur bleue, et 392 quadripôles de focalisation sont utilisés pour concentrer les rayons avant la collision. Les ondes radio poussent les protons autour de l'anneau et les « rassemblent » en groupes d'environ 100 millions chacun. Le budget le plus important fut porté sur la construction des aimants dont on visitera l’usine. Sur un budget total de 3 milliards d’euros, seuls chaque détecteurs coûtera 500 millions, le reste sera affecté pour une large part aux aimants, point fort du LHC jamais souligné.
Dans un premier temps, des atomes d'hydrogène, qui sont normalement constitués d'un unique électron et d'un unique proton, sont expulsés d’une petite bouteille (dont on verra un exemplaire dans la sphère musée à l’entrée). Ils sont débarrassés de leur électrons et accélérés dans un accélérateur linéaire appelé LINAC 2, ils sont ensuite accélérés à nouveau dans une structure composée de quatre anneaux appelée le Booster Protons-Syncrotron qui débouche dans le synchrotron à protons de 628 mètres de circonférence. Puis sont injectées dans le grand anneau dont le but est de passer de 99,9.997.828% à 99,9.999.991% en 20 minutes en tournant.
Les protons traversent les détecteurs en groupes de 100 millions chacun. Les essaims de protons sont espacés de 7,48 m. Sur les 200 millions de protons présents dans la zone de collision prévue, seule une vingtaine vont réellement entrer en collision, en raison de la petite taille des protons. Les autres passent entre les gouttes. Cependant, les paquets de protons voyagent principalement en impulsions, à la fréquence d'une toutes les 25 nanosecondes, ce qui signifie que les collisions dans le détecteur se produiront en moyenne 80 millions de fois par seconde. Les détecteurs doivent  enregistrer chaque morceau en moins de 100 nano s sur des millions de voies (trafic supérieur à l’ensemble des communications tel de la planète).
Des logiciels éliminent les évènements inintéressants (400 par s) (ne comportant pas les particules requises ou des phénomènes connus donnant 2g), éliminent le bruit de fond très importants des parasites dus au système. La présence d’un boson enrichi une statistique et le degré de fiabilité est calculé. 25 bosons ont été sélectionnés de masse 125 GeV sur la désintégration 4 leptons (muons) en 2011 et 2012, 13 ont été retenus.
Les résultats officiels ont été donnés le 4 juillet 2012 à 9H lors d’un séminaire normal sans sujet, par les 2 portes paroles du CMS et d’ATLAS en présence de Higgs et Englert, Brout étant décédé l’an passé.  
Le prix Nobel a été attribué à Higgs et Engert le 8 octobre 2013. Il ne pouvait pas être attribué à Brout, décédé en 2011, le comité a laissé sa place vide dans l’annonce. Le CERN, en tant qu’organisation, ne pouvait pas recevoir de prix à son grand regret comme nous l’a écrit Yves Sirois (seules les organisations internationales sont proposées pour le prix Nobel de la Paix, exemple MSF).)
La découverte du boson de Higgs est fondamentale dans l’explication de la naissance de l’U.
Il est le point central qui change l’orientation de l’évolution l’U en changeant sa densité. C’est le point dur des fluctuations de l’énergie du vide. On ne sait pas pourquoi les particules ont récupéré des masses différentes. On ne sait pas pourquoi avant il n’y avait que les quarks, des électrons et des photons. Les Américains l’appellent « the God Particule », la particule de Dieu. Il s’agit d’une erreur volontaire d’un éditeur d’un texte de Léon Lederman initialement « The Goddam Particule », « cette foutue particule ». Mais vu son rôle central certains commencent à s’interroger.
La suite des recherches sera la découverte d’autres particules grâce à la puissance du LHC (aujourd’hui 4 X 2 Tev, en 2015 7 X 2 Tev) impliquant peut être 1 ou plusieurs modèles, un autre boson de Higgs à plus grande énergie. Le Modèle dit Standard pourrait être étendu à des énergies bien plus grandes dès que le LHC fonctionnera à son maximum. Selon Michel Spiro il pourra même avoisiner les 10 puiss 15 GeV, échelle de la grande unification et de l’inflation. Peut être qu’un autre boson de Higgs serait l’inflaton ?
Alice pourra peut être expliquer la matière initiale   au tout début de l’U où les gluons ne pouvaient plus retenir les quarks .Après il faudra chercher l’origine des quarks, des photons et … du boson de Higgs lui même.
 Merci de m’avoir écouté,
 
 
 
 
 
 
 
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Jean Pierre Martin   Président de la commission de cosmologie de la SAF
www.planetastronomy.com
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