Dans les locaux de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (Cern), près de Genève, c’est l’ébullition. Dans quelques semaines, la machine la plus colossale que l’être humain ait jamais réalisée – le grand collisionneur de hadrons¹, ou LHC, – va démarrer. L’effervescence est à la hauteur de l’enjeu : voilà près de quinze ans que des milliers de chercheurs et d’ingénieurs du monde entier, dont ceux de onze laboratoires de l’Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) du CNRS, travaillent à la réalisation de ce mastodonte, un anneau de 27 kilomètres de circonférence installé à 100 mètres sous terre sous la frontière franco-suisse. Le LHC, la machine qui valait trois milliards d’euros, est aujourd’hui le plus grand accélérateur de particules du monde.

À la clé, ce sont des découvertes fondamentales sur les briques ultimes de la matière et sur les lois qui gouvernent l’Univers qui sont espérées. Excusez du peu ! « Grâce au LHC, nous allons enfin pouvoir tester expérimentalement certaines théories physiques échafaudées au cours des quarante dernières années », assure Abdelhak Djouadi, du Laboratoire de physique théorique, à Orsay². Pour y parvenir, les physiciens n’ont pas lésiné sur les moyens. Des milliers de milliards de protons ou d’ions lourds de plomb vont être précipités les uns contre les autres à des vitesses proches de celle de la lumière, avec une énergie totale de 14 000 milliards d’électronvolts (14 TeV)³. Ces collisions généreront ponctuellement des températures cent mille fois supérieures à celle du cœur du Soleil. Et pour que les particules puissent atteindre ces énergies faramineuses, il faut que règnent dans les entrailles de la machine un froid et un vide extrêmes : une température de – 271,3 °C (1,9 kelvin) et une pression de un dix-millième de milliardième d’atmosphère. Le vide intersidéral sous le plancher des vaches ! Mais à quoi riment ces caractéristiques extravagantes ? Quelles sont ces théories que veulent tester les physiciens ?

Dépasser les limites de la physique
Voilà longtemps que la physique moderne explore l’infiniment petit. Pas à pas, théories et expériences ont permis de comprendre de quoi est faite la matière et comment ses constituants ultimes – les particules dites élémentaires – interagissent. Aujourd’hui, particules et interactions sont réunies au sein du modèle standard, sorte de grand catalogue de la physique. Ce catalogue, s’il a prouvé maintes fois sa justesse, n’est pas sans lacunes. Par exemple la gravité, la force qui nous permet de garder les pieds sur terre, n’y a toujours pas trouvé sa place. Il n’explique pas non plus pourquoi la matière domine le monde, au détriment de l’antimatière, pourtant bien réelle puisque les physiciens savent manipuler les antiparticules. Certaines pages de ce catalogue restent, de surcroît, pure théorie. C’est le cas du boson de Higgs, une particule dont l’existence a été postulée en 1964 par les physiciens François Englert, Robert Brout et Peter Higgs. À l’époque, personne ne parvenait à expliquer un fait pourtant indubitable : la majorité des particules élémentaires possèdent une masse (excepté les photons et les gluons). L’invention du boson de Higgs a résolu le problème : l’Univers baignerait dans un océan de Higgs (un « champ ») avec lequel la majorité des particules interagirait. Plus cette interaction serait forte, plus la particule concernée serait massive.
Pour combler les manques du modèle standard, les physiciens n’ont pas hésité à explorer des contrées théoriques nouvelles. « En physique, nous sommes toujours en quête de perfection, remarque Abdelhak Djouadi. Comme son nom l’indique, le modèle standard n’est qu’un modèle, il n’est pas très prédictif. Nous sommes donc à la recherche d’une théorie plus globale. » Une théorie qui pourrait fonctionner à toutes les échelles d’énergie, même les plus démesurées, comme aux tout premiers instants de l’Univers ; ce que ne fait pas le modèle standard. Plusieurs pistes existent. Parmi elles, la supersymétrie postule l’existence d’une flopée de nouvelles particules massives liées aux particules élémentaires déjà connues. Et si cette théorie séduit bon nombre de physiciens, certains empruntent des voies encore plus novatrices, comme celle des dimensions supplémentaires d’espace-temps. Boson de Higgs, supersymétrie, disparition de l’antimatière, autres dimensions d’espace-temps… Les physiciens ne manquent pas d’idées pour expliquer le monde qui nous entoure et ses premiers soubresauts. Encore faut-il les prouver ! C’est là que le LHC entre en scène.
Imaginée dans les années 1980 et officiellement adoptée par le Cern en 1994, la machine lancera les uns contre les autres des paquets de protons⁴ dotés d’une énergie colossale de 7 TeV. L’énergie résultant de ces collisions frontales (14 TeV, donc) devrait suffire à créer une kyrielle de particules connues ou non, dont le fameux boson de Higgs et même les particules supersymétriques, si elles existent.

Le seigneur des anneaux
Concrètement, le LHC est composé d’un tube d’environ un mètre de diamètre et 27 kilomètres de long, en forme d’anneau. À l’intérieur se trouvent deux tubes à vide où circulent en sens inverse les paquets de protons, entourés de quelque 9 000 aimants supraconducteurs⁵. Ces derniers génèrent un puissant champ magnétique, près de 175 000 fois plus intense que celui de la Terre (8,3 teslas), qui permet de guider les protons sur leur trajectoire. Un système cryogénique à l’hélium liquide permet de porter le tout à une température de – 271,3 °C. Les protons sont injectés par paquets dans le LHC à partir d’une succession d’accélérateurs de plus en plus puissants. À plein régime, chaque tube du LHC contiendra ainsi 2 808 paquets de cent milliards de protons chacun, avançant à 99,999 % de la vitesse de la lumière. Ils feront plus de onze mille fois le tour de l’anneau en seulement une seconde ! Après une dizaine d’heures de fonctionnement, et donc des centaines de millions de tours, les paquets, atténués par les collisions, seront évacués et remplacés par des paquets tout frais.

Ce sont les équipes de l’Institut de physique nucléaire d’Orsay (IPN)⁶ qui se sont chargées de dessiner les 800 plans nécessaires à la fabrication de certaines parties de l’anneau appelées sections droites courtes, dans lesquelles se trouvent les aimants chargés de la focalisation des faisceaux (la machine n’est pas parfaitement circulaire ; elle est composée de huit sections en forme d’arc et de huit autres rectilignes). Elles ont aussi choisi et étalonné les 7 000 thermomètres indispensables à la surveillance du dispositif cryogénique. « Il nous a fallu concevoir une station d’étalonnage spécifique, explique Jean-Pierre Thermeau, de l’IPN. Au total, cinq années auront été nécessaires pour étalonner tous les thermomètres de – 271,3 °C à 27 °C ! » Son collègue Gilles Belot, lui, a pris en charge le suivi industriel des 1 262 enceintes à vide des dipôles – les électro-aimants qui servent à courber la trajectoire des faisceaux le long de l’anneau – et des 848 écrans thermiques qui isolent le système, ainsi que le contrôle de leur assemblage dans le tunnel souterrain ; un véritable travail d’orfèvre qui lui a valu le titre de meilleur inspecteur qualité du Cern.

Faire circuler des paquets de protons à des vitesses gigantesques est une chose, les faire se rencontrer en est une autre. En quatre points de l’anneau, les deux tubes se rejoignent et des aimants dits quadrupôles focalisent les faisceaux pour qu’ils se télescopent. Quarante millions de collisions devraient avoir lieu par seconde. Aux chercheurs ensuite de recueillir les particules formées, de les analyser et d’y voir la trace d’un boson de Higgs ou d’une particule supersymétrique. De fait, toutes ces nouvelles particules théoriques ne pourront pas être observées directement. Ce sont les particules issues de leur désintégration – deux photons, quatre électrons ou des muons d’une énergie donnée – et elles seules que l’on repérera. C’est pour recueillir ces dernières que quatre expériences – Atlas, CMS, LHCb et Alice – ont été installées aux quatre points de collision du LHC⁷.
Chacune de ces expériences, fruits d’une collaboration entre l’IN2P3, le CEA, le Cern et tous les autres pays participants, est basée sur le même principe : déterminer la trajectoire et l’énergie de toutes les particules issues des collisions pour remonter à la particule d’origine, inédite ou porteuse d’informations sur l’environnement qui l’a vue naître. Pour cela, il faut un empilement de sous-détecteurs. Au plus près du point de collision, se trouve un trajectographe, pour identifier les particules chargées à partir de leur trajectoire. Viennent ensuite les calorimètres électromagnétiques, qui mesurent l’énergie des photons et des électrons, et hadroniques, qui mesurent celle des hadrons. Enfin, un détecteur à muons complète le dispositif.
Ainsi, pour chaque expérience, il a fallu concevoir des dispositifs capables de repérer des millions de particules par seconde, une électronique résistant aux radiations et des systèmes d’acquisition des données ultrarapides. Un travail titanesque, qui a pris plusieurs années aux milliers de chercheurs impliqués dans l’aventure. « Lorsque la construction du LHC a été décidée, les technologies dont nous avions besoin n’existaient pas, raconte Yves Sirois, chercheur au Laboratoire Leprince-Ringuet (LLR)⁸ et responsable de l’expérience CMS pour le CNRS. Nous avons dû les développer nous-mêmes, parier sur l’évolution des composants. »

Deux pistes pour le boson de higgs
La plus impressionnante des expériences est Atlas (A Toroidal LHC Apparatus). Jugez un peu : l’ensemble du détecteur mesure près de 46 mètres de long et 25 mètres de diamètre ! Son but : dénicher le fameux boson de Higgs et tester la physique au-delà du modèle standard.
C’est au Laboratoire de l’accélérateur linéaire (LAL), à Orsay⁹, qu’a été inventé son calorimètre électromagnétique à argon liquide, qui mesure l’énergie des photons et des électrons. Il est composé d’un empilement de plaques métalliques et d’électrodes, baignant dans de l’argon liquide. Chaque particule qui le traverse arrache aux atomes d’argon des électrons qui sont ensuite collectés par les électrodes pour former un signal identifiable. Mais pour que la machine réponde en quelques dizaines de nanosecondes, il a fallu lui donner une forme totalement inédite : les plaques et les électrodes ont été pliées en accordéon et empilées pour former un cylindre. « Grâce à cette structure, il n’y a, de plus, aucune zone aveugle dans le détecteur, explique Daniel Fournier, responsable de l’expérience Atlas pour le CNRS et co-inventeur de l’appareil. C’était un véritable défi mécanique et électronique puisque, au final, nous devons traiter près de 200 000 canaux de lecture. » Ont également participé à la mise au point et à l’assemblage de ce gigantesque calorimètre et de son électronique le Laboratoire de physique nucléaire et des hautes énergies (LPNHE)¹⁰, à Paris, le Laboratoire d’Annecy-le-Vieux de physique des particules (LAPP)¹¹ et le Centre de physique des particules de Marseille (CPPM)¹². Le Laboratoire de physique corpusculaire (LPC Clermont)¹³, à Clermont-Ferrand, a quant à lui contribué de manière déterminante à la conception du calorimètre hadronique. À Grenoble, dans le même temps, les membres du Laboratoire de physique subatomique et cosmologie (LPSC)¹⁴ ont mis au point une partie complémentaire, le pré-échantillonneur, qui permet de déterminer précisément l’énergie des particules au moment où elles entrent dans le calorimètre, ainsi que le système cryogénique de ce dernier. Enfin, la partie la plus centrale du trajectographe d’Atlas a été élaborée au CPPM ; il s’agit d’un détecteur en silicium doté de 82 millions de pixels !

L’autre grande expérience du LHC est CMS (Compact Muon Solenoid). Il est nettement plus petit qu’Atlas mais beaucoup plus lourd : 11 000 tonnes contre « seulement » 7 000 tonnes pour son grand frère. Cette masse est notamment due à son aimant interne, très compact, qui génère un champ magnétique 80 000 fois plus intense que celui de la Terre. Lui aussi a pour objectif de dénicher le boson de Higgs et les particules supersymétriques, mais il utilise pour cela des technologies différentes d’Atlas. Ainsi, les deux appareils se complètent. Son calorimètre électromagnétique, par exemple, est composé de cristaux de tungstate de plomb, qui émettent de la lumière lorsqu’ils sont frappés par les photons ou les électrons. Les études pionnières menées au LAPP sur ce matériau ont grandement contribué à son choix. Quant à la lumière qu’il émet, elle est collectée par des dispositifs appelés photodiodes à avalanche, construits, étudiés et calibrés à l’Institut de physique nucléaire de Lyon (IPNL)¹⁵. L’Institut a aussi contribué, avec le LLR, à toute l’électronique de lecture. Le trajectographe de CMS, également en silicium, a été, lui, en partie assemblé à l’IPNL et à l’Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (IPHC) 16, à Strasbourg. « Nous avons pris en charge la construction d’un tiers des 288 “pétales” de silicium qui constituent le trajectographe, indique Pierre Van Hove, de l’IPHC. Il a aussi fallu assurer leur qualité : ce détecteur doit tenir quinze ans avec seulement 0,5 % de défauts. »

Deux limiers pour les particules
Les deux autres points de collision du LHC sont occupés par les expériences LHCb et Alice 17. Si elles aussi pourront observer des manifestations de la nouvelle physique et même trouver le boson de Higgs, elles s’attachent avant tout à décrypter des phénomènes bien précis. Ainsi LHCb a été conçue pour étudier des particules spécifiques – les hadrons constitués de quarks dits « beaux » – et les subtiles variations de comportement entre elles et leurs antiparticules. Ceci afin de mieux comprendre le mécanisme subtil brisant l’équilibre entre matière et antimatière et, finalement, de savoir pourquoi cette dernière a disparu dans l’Univers au profit de la matière. « Les hadrons beaux seront émis très près du faisceau de protons, explique Marie-Hélène Schune, du LAL. C’est pourquoi LHCb n’a pas la forme d’un cylindre comme les trois autres expériences. Il suffisait de placer les détecteurs d’un côté du point de collision. » Cinq groupes français 18 ont pris part à la construction de la structure mécanique et à toute la chaîne électronique des calorimètres. Ils se sont également chargés d’une partie du détecteur de muons et du dispositif de déclenchement de l’expérience. En fait, les quatre grands détecteurs disposent d’un tel système. Car parmi les quarante millions de collisions par seconde, une majorité ne produit rien d’intéressant. Inutile dans ce cas d’enregistrer tous les événements. Des dispositifs de sélection, basés sur la nature et l’énergie des particules détectées, ont donc été installés. Ce sont eux qui spécifient aux systèmes informatiques quels événements il faut enregistrer pour ensuite les restituer aux physiciens.
L’IPNL et le LPC Clermont ont apporté beaucoup à la mise au point de ces « déclencheurs » pour Alice. Contrairement aux trois autres, l’expérience va surtout s’intéresser aux collisions d’ions de plomb, qui ne devraient débuter que l’année prochaine (en fait, toutes les expériences vont plus ou moins tirer parti des deux types de collisions). La violence du choc entre ces ions lourds sera telle qu’un nouvel état de la matière – un plasma de quarks et de gluons – devrait apparaître pendant une fraction de seconde, comme cela a sans doute été le cas à la naissance de l’Univers. En étudiant les particules issues de la collision, notamment les muons et certains hadrons, les chercheurs sauront si un tel plasma – qui existerait encore aujourd’hui au cœur de certaines étoiles appelées étoiles à neutrons – a bien été produit au LHC et en détermineront certaines caractéristiques. Là encore, les équipes de l’IN2P3 se sont largement impliquées dans la conception et la fabrication de plusieurs sous-détecteurs : le spectromètre à muons, doté de plus d’un million de voies de détection, au laboratoire Subatech¹⁹, à Nantes, au LPC Clermont, à l’IPNL et à l’IPN, une partie du trajectographe en silicium et de son électronique à Subatech et à l’IPHC. Certains groupes, dont celui du LPSC, à Grenoble, travaillent à l’élaboration d’un calorimètre électromagnétique qui devrait être installé après le démarrage du LHC.
Évidemment, toutes ces équipes n’en ont pas terminé avec le LHC. Après avoir participé au montage des instruments dans le tunnel souterrain, de nombreux scientifiques du CNRS effectuent les derniers tests, en mesurant notamment la réponse des détecteurs aux rayons cosmiques en provenance de l’espace. Pendant que d’autres envisagent déjà l’avenir et commencent à étudier les solutions techniques pour faire du LHC un superLHC, encore plus puissant. Tous, cependant, affûtent déjà leurs formules physiques en prévision des premières données qui ne devraient pas tarder à leur parvenir.

Fabrice Demarthon

>> En ligne
Toutes les infos sur le LHC, la contribution française au projet ainsi que les dernières actualités sur : http://lhc-france.fr  un site du CNRS et du CEA

>> À lire
Candide et le physicien, Bernard d’Espagnat et Claude Saliceti, Fayard, 2008

La grille de calcul du LHC Lorsque l’exploitation du LHC aura pris un rythme de croisière, quelque 15 millions de gigaoctets de données seront produits chaque année. Une quantité colossale qu’il va falloir gérer au mieux. C’est pourquoi le Cern et ses partenaires, dont l’IN2P3, ont mis en place la grille de calcul LCG (LHC Computing Grid), une infrastructure internationale de traitement informatique qui intègre des milliers d’ordinateurs et d’importantes ressources de stockage. En fait, toutes les données seront traitées sur environ 200 sites sur toute la planète. Le premier centre, désigné sous le nom de Tier 0 et installé au Cern, acquerra toutes les données produites par les détecteurs et réalisera une sauvegarde. Il transmettra ensuite les informations aux onze grands centres nationaux désignés comme Tier 1, dont le Centre de calcul de l’IN2P3 (CCIN2P3), à Lyon. Ce dernier dispose actuellement de 8 200 calculateurs et d’une capacité de stockage de 8 millions de gigaoctets, appelée à être doublée chaque année. « Ces centres, disponibles 24 heures sur 24, assureront la pérennité des données et réaliseront un premier traitement avant de les transmettre aux Tier 2 et 3, répartis dans tous les pays, où se fera l’analyse physique proprement dite », explique Fabio Hernandez, directeur adjoint du CCIN2P3. Quant aux onze laboratoires de l’IN2P3 déjà fortement impliqués dans les expériences du LHC, ils déploient en ce moment des outils de calcul locaux ou régionaux reliés à la grille LCG. F.D. Contact : Fabio Hernandez, fabio@in2p3.fr