Même les jours les plus chauds et les plus secs, les rayons du soleil sont trop faibles pour allumer un feu. Mais avec une loupe (ou, dans certains cas malheureux, un ornement de jardin en verre), vous pouvez concentrer la lumière du soleil sur un faisceau suffisamment lumineux pour enflammer l'amadou.

Au Grand collisionneur de hadrons, les scientifiques appliquent ce même principe lors de la focalisation de faisceaux de protons (ou parfois d'ions lourds) avant de les faire passer par les quatre points de collision de l'accélérateur. Les collisions de particules de haute énergie permettent aux scientifiques d'étudier les lois fondamentales de la physique et de rechercher de nouvelles particules, champs et forces.

En focalisant étroitement les faisceaux de protons juste avant leur collision, les scientifiques peuvent rapidement augmenter le nombre d'événements de collision qu'ils doivent étudier.

Scientifiques, ingénieurs et techniciens au CERN et dans le monde, y compris au Laboratoire national de l'accélérateur Fermi, Laboratoire national de Brookhaven et Laboratoire national Lawrence Berkeley, ensemble dans le cadre du programme de mise à niveau de l'accélérateur LHC à haute luminosité du ministère de l'Énergie des États-Unis, construisent de nouveaux aimants de focalisation, qui comprimera les protons en collision en des volumes encore plus petits. Ils conçoivent également de nouveaux aimants kicker, qui heurtera les trajectoires des particules entrantes pour aider les deux faisceaux à se rencontrer face à face au point de collision.

À la fin des années 2020, les scientifiques mettront en marche un LHC turbocompressé à haute luminosité. La mise à niveau augmentera le nombre total de collisions potentielles que les scientifiques doivent étudier d'au moins un facteur 10.

Pourquoi la luminosité et pas les collisions ?

Comme vous l'avez peut-être remarqué, quand les physiciens parlent de collisions de particules, ils parlent d'une mesure appelée luminosité. Il ne dit pas exactement aux scientifiques combien de collisions de particules se produisent à l'intérieur d'un collisionneur; plutôt, la luminosité mesure à quel point les particules sont serrées dans les faisceaux qui se croisent. Plus la pression est serrée, plus il est probable que certaines des particules entreront en collision.

Dans le HL-LHC, 220 milliards de protons devraient traverser 220 milliards de protons supplémentaires toutes les 25 nanosecondes aux quatre intersections expérimentales de l'accélérateur. Mais la grande majorité des protons n'interagiront pas réellement les uns avec les autres. Même avec la meilleure technologie de focalisation de faisceau d'aujourd'hui, les chances qu'un proton entre en collision avec un autre proton à l'intérieur de l'anneau du LHC sont encore nettement inférieures aux chances de gagner le jackpot Mega Millions.

Les protons ne sont pas des orbes solides qui rebondissent, casser ou se briser lorsqu'ils entrent en contact les uns avec les autres. Plutôt, ce sont des ensembles désordonnés de champs et de particules encore plus petites appelées quarks.

Deux protons pourraient se traverser, et il y a une chance qu'ils ne fassent que rejouer cette scène du film Ghost dans laquelle l'acteur Patrick Swayze, jouer le fantôme titulaire, colle sa tête éthérée dans un train en mouvement, sans effet. Vous pouvez amener les protons dans une collision frontale, mais vous ne pouvez pas les faire interagir.

Même si deux protons interagissent, ça compte comme une collision ? Si deux protons se croisent et que l'onde de choc de leurs champs électromagnétiques qui se croisent éjecte quelques photons, cela compte-t-il? Et si l'un de ces photons parasites plongeait dans le cœur d'un autre proton ? Et si deux protons se frôlent et projettent un tas de particules, mais rester intact ?

Les collisions sont compliquées. Les physiciens parlent donc plutôt de luminosité.

Taux de collision

La vitesse à laquelle les particules se rassemblent pour entrer en collision est appelée « luminosité instantanée ».

"La luminosité instantanée dépend du nombre de particules dans chaque faisceau en collision et de la surface des faisceaux, " dit Paul Lujan, un post-doctorant à l'Université de Canterbury qui travaille sur les mesures de luminosité pour l'expérience CMS. "Une taille de faisceau plus petite signifie plus de collisions potentielles par seconde."

En 2017, Les physiciens du LHC ont atteint un nouveau record en mesurant une luminosité instantanée de 2,06 x 10 ³⁴ par centimètre carré par seconde. (Multipliez ensemble le nombre de protons dans chaque faisceau, puis divisez par la surface du faisceau (en centimètres carrés) au fil du temps.)

"Les unités de luminosité sont un peu peu intuitives, " Lujan dit, "mais cela nous donne exactement les informations dont nous avons besoin."

Lorsque les scientifiques chargent le LHC d'un nouveau lot de particules à entrer en collision, ils les maintiennent en marche tant que les faisceaux sont en assez bon état avec suffisamment de particules pour avoir une bonne luminosité instantanée.

Considérant qu'un remplissage moyen du LHC dure entre 10 et 20 heures, le nombre de collisions potentielles peut grimper très rapidement. Les scientifiques ne se soucient donc pas seulement de la luminosité instantanée; ils se soucient aussi de "la luminosité intégrée, " combien de collisions potentielles s'accumulent au cours de ces heures de fonctionnement.

Ne pouvait pas frapper le large côté d'une porte de grange

La différence entre la luminosité instantanée et la luminosité intégrée est la différence entre, « En ce moment, je roule à 100 km/h, " et " Plus de dix heures, J'ai parcouru 600 milles."

Pour une luminosité intégrée, les physiciens passent du centimètre carré à une nouvelle unité de surface :la grange, une référence à l'idiome, "Je ne pouvais pas toucher le côté large d'une grange." Du point de vue d'une particule subatomique, "la grange" est si massive qu'il serait difficile de la manquer.

La grange a été inventée dans les années 40. Sa taille réelle (10 à 24 centimètres carrés) a été classée jusqu'à la fin de la Seconde Guerre mondiale. C'est parce qu'il est équivalent à la taille d'un noyau d'uranium, un ingrédient clé de la bombe atomique alors nouvellement développée.

La grange est restée après la guerre et est devenue un moyen standard de mesurer la surface en physique nucléaire et des particules.

Parler dans les granges et une unité encore plus petite égale à 10 ^-15 granges appelées "femtobarn" - permet aux physiciens de prendre un nombre énorme et de le convertir, le transformer de quelque chose de trop long à écrire sur le côté d'une vraie grange en quelque chose qui pourrait tenir sur une carte postale.

Les physiciens utilisent également des femtobarns pour mesurer la probabilité d'un processus subatomique, appelé sa "section transversale".

"Imaginez une bagarre alimentaire dans une cafétéria, " dit Lujan. " Nous pouvons prédire le nombre de personnes qui seront éclaboussées avec une boulette de viande égarée [une " interaction de boulette de viande, " si vous voulez] en fonction du nombre de personnes présentes, la superficie et les dimensions de la cafétéria, combien de temps dure le combat de nourriture [qui peut être utilisé pour calculer la "luminosité intégrée" de toutes les interactions possibles, y compris les interactions de boulettes de viande] ainsi que la probabilité de ce processus particulier [la "section transversale" d'une interaction de boulettes de viande]."

Pour tester les lois de la physique, les physiciens comparent leurs prédictions sur la probabilité de certains processus à ce qu'ils voient réellement dans la pratique.

Avec la mise à niveau HL-LHC, les scientifiques augmentent le nombre de protons, diminuer le diamètre des points de collision, et un meilleur alignement des trajectoires des protons. Tous ces changements contribuent à augmenter la probabilité que les protons interagissent entre eux lorsqu'ils traversent les intersections du LHC. Le nombre accru d'opportunités de collision aidera les physiciens à trouver et à étudier des processus et des particules rares qui sont essentiels à la compréhension des lois fondamentales de la physique.