Un graphique projeté sur un écran montre des traces de collision de particules, lors de la conférence Large Hadron Collider au Museo della Scienza e della Tecnica (Milan Museum of Science and Technology) le 20 décembre, 2011 à Milan, Italie. Photo de Pier Marco Tacca/Getty Images Comme le savent tous ceux qui ont un tiroir à ordures, il est difficile de garder une trace de petits morceaux d'éphémères. Tu jures que tu avais des punaises - il faut qu'elles soient enfoncées quelque part, droit? Avec la colle ? Ou sont-ils dans cette grande boîte de fournitures de bureau qui contient également quelques pièces aléatoires de vieux matériel de télévision, plus les tondeuses que vous utilisez pour tondre le chien chaque été ? Et, hein – toutes les photos de votre mariage sont également dans cette boîte. Peut-être en garderiez-vous une meilleure trace s'ils étaient dans le tiroir à déchets ? Ils y vont.
Faire face à tout ce gâchis aléatoire pourrait vous donner de la sympathie pour les physiciens de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire. (Ce qui est abrégé en CERN, dans une tournure déroutante des événements ayant à voir avec une traduction du français vers l'anglais.) Les scientifiques du CERN sont les filles et les gars intelligents qui dirigent le Grand collisionneur de hadrons - que nous abrégerons au LHC beaucoup plus pratique. Le LHC est le grand accélérateur de particules situé au plus profond de la campagne suisse, où les physiciens ont confirmé l'existence du boson de Higgs, une particule subatomique qui a conduit les scientifiques à mieux comprendre comment la matière gagne de la masse dans l'univers.
Le mot clé ici étant "subatomique". Dire que les scientifiques du CERN étudient les choses à petite échelle est un euphémisme. Non seulement ils regardent deux protons - des particules subatomiques elles-mêmes - entrer en collision, mais ils tentent également de cartographier les débris subatomiques qui s'envolent quand cela se produit. Aux non-initiés, ça pourrait juste ressembler à un tiroir d'ordure d'adolescent, minuscule, particules en mouvement rapide ... qui, en plus d'être si petit, se décomposent presque plus vite que vous ne pouvez les détecter.
Passons en revue tout ce processus de désintégration des mouches pour avoir une idée de ce que les scientifiques doivent suivre. Au LHC, les protons courent autour d'une piste circulaire à presque la vitesse de la lumière. Et ils ne sont pas seulement prêts à être zippés à tout moment. Les scientifiques du CERN doivent envoyer un faisceau de protons dans le LHC en diffusant de l'hydrogène gazeux dans un duoplasmatron, qui enlève les électrons des atomes d'hydrogène, ne laissant que des protons [source :O'Luanaigh].
Les protons entrent dans le LINAC 2, le premier accélérateur du LHC. Le LINAC 2 est un accélérateur linéaire, qui utilise des champs électromagnétiques pour pousser et tirer des protons, les faisant accélérer [source :CERN]. Après avoir traversé cette première accélération, les protons voyagent déjà à 1/3 de la vitesse de la lumière.
Ensuite, ils entrent dans le propulseur de synchrotron à protons, qui se compose de quatre anneaux. Des groupes séparés de protons courent autour de chacun, tout en étant accélérés par des impulsions électriques et dirigés par des aimants. À ce point, ils évoluent à 91,6 % de la vitesse de la lumière, et chaque groupe de protons se rapproche les uns des autres.
Finalement, ils sont projetés dans le synchrotron à protons – désormais dans un groupe plus concentré [source :CERN]. Dans le synchrotron à protons, des protons circulent autour du 2, Anneau de 060 pieds (628 mètres) à environ 1,2 seconde par tour, et ils atteignent plus de 99,9 % de la vitesse de la lumière [source :CERN]. C'est à ce stade qu'ils ne peuvent vraiment pas aller beaucoup plus vite; au lieu, les protons commencent à augmenter en masse et deviennent plus lourds. Ils entrent dans le super synchrotron à protons, un anneau de 4 milles (7 kilomètres), où ils sont encore accélérés (les rendant ainsi encore plus lourds) afin qu'ils soient prêts à être projetés dans les tubes de faisceau du LHC.
Il y a deux tuyaux à vide dans le LHC; on fait voyager le faisceau de protons dans un sens, tandis que l'autre a un faisceau qui court dans le sens inverse. Cependant, sur les quatre côtés du LHC de 16,5 milles (27 kilomètres), il y a une chambre de détection où les faisceaux peuvent se croiser - et c'est là que la magie de la collision de particules se produit. Cette, finalement, est notre tiroir de fouillis subatomique.
"Amusant, " Vous pensez peut-être. " C'est une belle histoire sur l'accélération des particules, copain. Mais comment les physiciens savent-ils où vont les particules dans l'accélérateur ? Et comment diable sont-ils capables de suivre la collision des débris pour l'étudier ? »
Aimants, yo. La réponse est toujours des aimants.
Être juste, ce n'est en fait que la réponse à la première question. (Nous passerons au second dans une seconde.) Mais vraiment gigantesque, des aimants froids empêchent les particules de se diriger dans le mauvais sens. Les aimants deviennent supraconducteurs lorsqu'ils sont maintenus à une température très basse – nous parlons plus froid que l'espace extra-atmosphérique. Avec les aimants supraconducteurs, un champ magnétique puissant est créé qui dirige les particules autour du LHC - et finalement, l'un dans l'autre [source :Izlar].
Ce qui nous amène à notre prochaine question. Comment les scientifiques gardent-ils une trace des particules résultant de l'événement de collision ? "Track" devient en fait un mot révélateur dans notre explication. Comme vous pouvez l'imaginer, les physiciens ne se contentent pas de regarder une télévision sur grand écran, alternant entre un feu d'artifice de protons et des rediffusions de "Star Trek". Lorsqu'ils observent des courses et des collisions de protons, les scientifiques surveillent principalement les données. (Pas de données.) Les particules dont ils « suivent » après les collisions ne sont en fait que des traces de données qu'ils peuvent analyser.
L'un des détecteurs est en fait appelé un dispositif de suivi, et cela permet vraiment aux physiciens de "voir" le chemin emprunté par les particules après leur collision. Bien sûr, ce qu'ils voient, c'est une représentation graphique de la trajectoire de la particule. Lorsque les particules se déplacent à travers le dispositif de suivi, les signaux électriques sont enregistrés puis traduits en un modèle informatique. Les détecteurs calorimétriques arrêtent et absorbent également une particule pour mesurer son énergie, et le rayonnement est également utilisé pour mesurer davantage son énergie et sa masse, réduisant ainsi l'identité d'une particule particulière.
Essentiellement, c'est ainsi que les scientifiques ont pu suivre et capturer des particules pendant et après le processus d'accélération et de collision lorsque le LHC a effectué son dernier essai. Un problème, cependant, était qu'avec autant de collisions se produisant par seconde - nous parlons de milliards - tous les éclats de protons n'étaient pas vraiment intéressants. Les scientifiques devaient trouver un moyen de trier les collisions utiles des collisions ennuyeuses. C'est là qu'interviennent les détecteurs :ils repèrent des particules qui semblent intéressantes, puis exécutez-les à travers un algorithme pour voir s'ils méritent un examen plus approfondi [source :Phoboo]. S'ils ont besoin d'un examen plus approfondi, les scientifiques s'y intéressent.
Lorsque le LHC sera rallumé en 2015, il y aura encore plus de collisions qu'avant (et deux fois plus d'énergie de collision) [source :Charley]. Quand cela arrive, le système qui déclenche un "hey, regardez ce "drapeau aux physiciens va se vanter d'une mise à niveau:des sélections plus finement ajustées seront faites pour passer au-delà de la première étape, et ensuite tous ces événements seront analysés complètement.
Donc, restez à l'écoute pour en savoir plus sur la façon dont les physiciens traquent les particules dans le LHC; les choses peuvent changer là-bas à une vitesse proche de la lumière.
Dieu merci, les protons – contrairement aux souris ou aux rats d'autres expériences scientifiques – n'ont pas besoin d'être nourris et abreuvés. Est-ce que des milliards de collisions par seconde, la physique des particules obtient le prix pour la plupart des données collectées avec le moins de fromage donné en récompense.
