Un physicien du CERN explique comment l’équipe utilise les éclaboussures subatomiques pour redémarrer les expériences après les mises à niveau annuelles

Lorsque vous appuyez sur « Démarrer » sur votre micro-ondes ou votre ordinateur, l’appareil s’allume immédiatement. Mais les expériences de physique majeures comme le Grand collisionneur de hadrons de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, connue sous le nom de CERN, ne fonctionnent pas de cette façon. À la place, les ingénieurs et les physiciens doivent prendre quelques semaines chaque année pour réinitialiser soigneusement le collisionneur et toutes les expériences qu’il contient.

Je suis un physicien du CERN qui a travaillé avec mes collègues ces derniers mois sur le processus de réinitialisation de la plus grande des expériences, ATLAS. Pour recueillir des données précises sur les collisions de particules et étudier certains des mystères les plus fascinants de l’univers, la collaboration doit s’assurer que l’équipement est correctement calibré.

Au CERN, le Grand collisionneur de hadrons, ou LHC, fracasse des protons à la plus haute énergie jamais atteinte pour créer de nouvelles particules, que les physiciens capturent et étudient ensuite à travers plusieurs expériences.

Le LHC explore le monde caché des particules subatomiques, les éléments fondamentaux de tout ce qui nous entoure. L’étude de ces particules aide les scientifiques comme moi à mieux comprendre le fonctionnement et l’évolution de l’univers au fil du temps.

Hibernation et réveil du LHC

Chaque hiver, le collisionneur et ses expériences hibernent. Mon équipe et d’autres équipes du CERN les poussent à faire cette sieste hivernale pour plusieurs raisons.

Les machines que nous utilisons ici sont complexes. Il faut du temps pour remplacer des pièces ou installer de nouveaux composants. Et comme toutes ces machines consomment beaucoup d’énergie, nous évitons de les faire fonctionner en hiver, lorsque l’électricité coûte plus cher et que la ville voisine de Genève doit garder ses habitants au chaud.

Mais lorsque le printemps arrive, toutes les équipes préparent le LHC et les expériences pour une nouvelle saison de collecte de données.

Pendant que les ingénieurs et les techniciens travaillent à réinitialiser l’accélérateur et à le préparer à écraser les protons, mes collègues et moi, les physiciens expérimentaux, préparons les expériences pour collecter rapidement et correctement les données de toutes les particules produites par le collisionneur.

Essais avec des rayons cosmiques

Les équipes chargées des expériences entament la première phase de réveil du LHC, alors que l’accélérateur est encore en veille. Nous devons commencer à tester les détecteurs de particules même si le collisionneur qui génère les particules ne fonctionne pas.

Dans cette première phase, nous utilisons ce que la nature nous offre en permanence : les rayons cosmiques. Il s’agit de particules subatomiques créées lorsque des particules énergétiques venues de l’espace entrent en contact avec des atomes situés en hauteur dans l’atmosphère.

Un rayon cosmique entre dans le détecteur ATLAS du LHC à gauche. Chaque fois qu’il frappe un capteur, le rayon perd une partie de son énergie, que le détecteur convertit en signal et enregistre. En traçant une ligne passant par tous les capteurs que la particule cosmique a rencontrés, les physiciens peuvent reconstituer sa direction d’arrivée, son parcours dans l’expérience et son énergie. Les rayons cosmiques nous aident à entraîner les capteurs et à vérifier que tout fonctionne comme prévu.

Cependant, les rayons cosmiques sont aléatoires et rares, nous ne pouvons donc pas nous y fier pour tous nos tests. Pour les tests suivants, nous utiliserons une source plus dense et plus prévisible : les éclaboussures subatomiques.

Des éclaboussures subatomiques pour les synchroniser toutes

Le LHC est composé d’environ 27 kilomètres de tubes dans lesquels les protons circulent. Le tube est entouré d’aimants qui dirigent les protons qu’il accélère. Toute particule qui s’écarte de sa trajectoire est stoppée par un petit morceau de métal appelé collimateur. Ce collimateur est poussé vers le centre du tube de l’accélérateur, où les protons s’écrasent contre lui et interagissent avec ses atomes.

Cette collision crée une énorme quantité de particules, qui se déplacent ensuite à l’unisson le long du tube de l’accélérateur sous forme d’une grande éclaboussure, ou, comme nous les appelons, d’un « jet d’éclaboussure ». Vers la mi-mars, l’équipe de l’accélérateur crée ces particules pour l’expérience ATLAS.

La grande vague de particules frappe l’expérience en même temps, et cette vague nous permet de vérifier si tous les détecteurs de l’expérience réagissent correctement et de manière synchronisée. Elle permet également de tester s’ils peuvent enregistrer et stocker des données à la vitesse requise.

Des muons horizontaux pour les calibrer

La plupart des détecteurs de particules utilisés dans les expériences sont désormais prêts à recueillir de nouvelles données. Toutefois, certains types de détecteurs du LHC nécessitent des tests supplémentaires.

L’un d’entre eux est le calorimètre à tuiles de l’expérience ATLAS, un détecteur qui mesure l’énergie des particules telles que les neutrons et les protons. Il est constitué de rangées de capteurs en forme de tuiles, et les particules de test doivent traverser ces tuiles horizontalement pour calibrer avec précision le détecteur.

Les jets massifs de particules créés par les éclaboussures du faisceau ne sont pas adaptés à l’étalonnage du calorimètre à tuiles. Les particules n’arrivent pas sous le bon angle et il y en a trop en même temps.

Pour tester le calorimètre Tile, nous nous intéressons uniquement à un type particulier de particules : les muons. Les muons sont similaires aux électrons mais plus lourds, et ils interagissent différemment avec le monde qui les entoure. Ils peuvent traverser plusieurs rangées de capteurs sans perdre beaucoup d’énergie ou être arrêtés, ce qui les rend utiles pour tester les détecteurs de particules.

Donc, vers la fin du mois de mars, nous avons mis en place un autre test, en utilisant à nouveau les collimateurs.

Cette fois, les ingénieurs du LHC n’ont poussé le collimateur que légèrement sur la trajectoire des protons, de sorte que les particules effleurent à peine le collimateur. Le frottement doux des protons contre la surface métallique du collimateur crée des particules qui se déplacent parallèlement au tube de l’accélérateur et frappent l’expérience ATLAS horizontalement.

Nous utilisons des capteurs dédiés pour détecter les muons créés par la collision avec le collimateur et les signaler. Nous les suivons ensuite pendant leur déplacement dans le calorimètre Tile.

Ces muons horizontaux traversent toutes les tuiles du calorimètre d’affilée, ce qui nous permet de nous assurer qu’il collecte des données avec précision.

Prêt pour une nouvelle physique

Une fois le LHC entièrement calibré et prêt à fonctionner, il accélère les protons à leur énergie maximale, puis les pousse à s’écraser les uns contre les autres.

Après environ 10 semaines de tests, une nouvelle saison de collecte de données commence, apportant des rêves de nouvelles découvertes.

Cet article est republié par The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original.