Les expériences du LHC à l’épreuve du ciel
Il pleut des particules d’étoiles sur les expériences du LHC. Pour se préparer à analyser les collisions du Grand collisionneur de hadrons (LHC), qui sera mis en service au printemps 2008, ses quatre grandes expériences testent leurs équipements en utilisant un accélérateur de particules naturel : l’espace.
Nous sommes en permanence arrosés de particules en provenance de l’espace, émises par les étoiles, les supernovae et peut-être même les trous noirs. Lorsqu’un rayon cosmique primaire de haute énergie frappe l’atmosphère, il provoque une cascade de collisions générant une douche de particules qui atteint le sol.
Les expériences du LHC profitent de cette source naturelle pour tester leurs composants. Les détecteurs sont en effet comme d’immenses poupées gigognes, composées de sous-détecteurs emboîtés ou alignés, chacun ayant pour rôle de détecter un type de particules ou une caractéristique différente. Au moment de leur fabrication, les sous-détecteurs, qui constitueront le grand détecteur final, sont testés indépendamment avec des rayons cosmiques. Une fois toutes les parties assemblées, les rayons cosmiques permettent à nouveau de tester l’ensemble du détecteur avec les systèmes de déclenchement et d’acquisition qui permettent de lire et d'enregistrer les données. Les physiciens peuvent ainsi reconstruire pour la première fois un événement réel dans tout leur appareillage.
Le 26 juillet 2006, CMS, l’une des quatre grandes expériences du LHC, a démarré un essai spectaculaire avec les rayons cosmiques. Le détecteur, constitué d’immenses dodécagones de 15 mètres de diamètre dans lesquels sont nichés les différents sous-détecteurs et l’aimant, a été complètement fermé. La collaboration a ensuite mis en marche l’aimant, le plus grand solénoïde supraconducteur au monde de 12,5 mètres de long et de 220 tonnes, chargé de courber la trajectoire des particules chargées. Refroidi à -269°C, l’aimant de CMS va générer au final un champ magnétique de 4 teslas, soit près de 100 000 fois le champ magnétique terrestre. L’aimant mis en marche, les tests avec les rayons cosmiques vont pouvoir démarrer sur une tranche complète du détecteur.
Cet essai succède à d’autres défis cosmiques des collaborations du LHC. Il y a un an, ATLAS, la plus volumineuse des expériences du LHC, testait pour la première fois l’un de ses sous-détecteurs (le calorimètre hadronique) in situ , dans la caverne expérimentale située à 100 mètres sous terre. En juin dernier, ATLAS réalisait un nouvel essai avec des rayons cosmiques sur deux de ses trajectographes combinés. CMS, pour sa part, a déjà détecté des rayons cosmiques en décembre dernier dans ses chambres à muons, puis en mars dans une partie de son trajectographe. Enfin, ALICE, qui doit étudier le plasma de quarks et de gluons, un état de la matière qui aurait prévalu juste après le Big-Bang, a mis en service son principal trajectographe, la chambre à projection temporelle la plus grande du monde, en enregistrant et en reconstituant les traces des rayons cosmiques. La quatrième grande expérience, LHCb, présente une configuration horizontale (et non radiale) qui rend les tests aux rayons cosmiques inutiles. Toutefois, avant leur installation, ses composants avaient utilisé les particules cosmiques pour des tests de fonctionnement initiaux.
Ces tests sont parmi les derniers pour les détecteurs du LHC avant leur mise en service l’an prochain. Le défi sera alors bien plus grand. En démêlant les millions de collisions par seconde que produira le LHC, les quatre grandes expériences devront répondre à des questions fondamentales sur l’Univers : Comment les particules acquièrent-elles leur masse ? Qu’est-ce que la masse manquante de l’Univers ? Pourquoi la matière domine-t-elle l’antimatière ? Ou encore, comment la matière a-t-elle évolué juste après le big bang, l’explosion originelle de l’Univers ?
août 2006