Le LHC se prépare aux collisions plomb-proton

Cette petite bouteille contient la source de plomb pour le Linac 3, qui fournit des ions de plomb pour les collisions au LHC (Image : CERN)

Une version plus longue de cet article a paru en anglais dans la revue « UK News from CERN » (PDF)

Pour son dernier cycle d’exploitation avant un arrêt de deux ans, le Grand collisionneur de hadrons (LHC) fonctionnera selon un mode différent de celui prévu à l’origine et fera entrer en collision des protons avec des ions plomb, comme cela a déjà été fait lors du galop d’essai de septembre dernier.

Le LHC accélère deux faisceaux de particules et les fait entrer en collision à l'intérieur de détecteurs. Les deux tubes de faisceau sont situés dans une structure magnétique unique à l'intérieur de laquelle les deux faisceaux subissent un même champ magnétique. Les ions plomb sont toutefois 208 fois plus lourds que les protons et leur charge positive est 82 fois plus importante que celle des protons. Ils réagissent donc différemment aux effets des aimants. Cette différence est particulièrement prononcée à l’énergie d’injection (450 GeV) : les protons parcourent en une minute 674 729 fois les 27 kilomètres du LHC, soit huit fois plus environ que les noyaux de plomb, beaucoup plus lourds.

« Heureusement, le LHC possède deux systèmes radiofréquence, de sorte que nous pouvons régler les deux faisceaux séparément, explique John Jowett, physicien spécialiste des accélérateurs. À des énergies plus élevées, les vitesses des faisceaux se rapprochent ; on déplace alors l'orbite du faisceau de protons d'environ un millimètre vers l'extérieur du tube de faisceau, ce qui rallonge son trajet le long de l'accélérateur. On déplace également le faisceau de plomb vers le centre du tube de faisceau, ce qui raccourcit son trajet. Grâce à ces ajustements, les fréquences de révolution de chacun des faisceaux deviennent identiques, ce qui permet d’obtenir des collisions correctes à l'intérieur des détecteurs. L’équipe responsable de l’accélérateur prépare actuellement les faisceaux et teste l'accélérateur avant le lancement de l'exploitation plomb-proton en fin de semaine.

Si la collision de faisceaux asymétriques n'était pas prévue dans la conception d’origine du LHC, pourquoi est-elle désormais au programme ? L’une des principales raisons est de pouvoir disposer d’un point de comparaison pour les collisions plomb-plomb. Celles-ci créent le plasma quarks-gluons, une soupe chaude et dense de quarks dans laquelle les quarks se déplacent librement au lieu d'être liés à l’intérieur de particules. Dans les collisions plomb-plomb à haute énergie au LHC, il pourra s’avérer difficile de distinguer les effets dus à la présence des noyaux de plomb de ceux dus au plasma. Or les collisions proton-plomb ne produiront pas de plasma quarks-gluons, et donc elles permettront aux physiciens du CERN de bien distinguer les effets dus aux collisions de plomb de ceux dus au plasma.

« Jusqu'ici, personne n’a jamais réussi à faire entrer correctement en collision des protons avec des ions plomb; nous avons juste un mois pour y parvenir. Nous devons très rapidement mettre en application une nouvelle série de procédures opérationnelles, puis déterminer dans quelle mesure nous pourrons augmenter les intensités des faisceaux, poursuit John Jowett. Ce cycle d’exploitation s’annonce particulièrement exigeant pour l’accélérateur. »