LE GRAND COLLISIONNEUR DE HADRONS ( LHC )

Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) est le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules du monde. Il est aussi la dernière machine à être venue enrichir le complexe d’accélérateurs du CERN : son démarrage a eu lieu le 10 septembre 2008. Cet anneau de 27 kilomètres est jalonné d’aimants supraconducteurs, associés à des structures accélératrices qui augmentent l’énergie des particules qui y sont propulsées.

Dans l'accélérateur, deux faisceaux de particules de haute énergie circulent à une vitesse proche de celle de la lumière avant d'entrer en collision. Les faisceaux se déplacent dans des directions opposées, dans des tubes distincts placés sous ultravide. Un puissant champ magnétique généré par des électroaimants supraconducteurs les guide tout au long de leur parcours dans l’accélérateur. Ces aimants sont composés de bobines d’un câble électrique spécial qui, parce qu’il est à l’état supraconducteur, conduit l’électricité sans la moindre résistance ni perte d’énergie. Le secret derrière cette performance ? Les aimants sont maintenus à moins 271,3 °C, une température plus basse que celle de l’espace intersidéral. Aussi une grande partie de l’accélérateur est-elle reliée à un système de distribution d’hélium liquide, qui refroidit les aimants, et alimentée par d’autres services.

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Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) est le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules du monde. (Image: CERN)
Des milliers d’aimants de nature et de taille différentes guident les faisceaux le long de l’accélérateur. On utilise notamment 1232 aimants dipolaires (de 15 mètres de long) pour courber les faisceaux et 392 aimants quadripolaires (de 5 à 7 mètres de long) pour concentrer les faisceaux. Juste avant la collision, un autre type d’aimant vient resserrer les particules et augmenter la probabilité des collisions. Réaliser une collision entre des particules aussi minuscules exige une précision comparable à celle qu’il faudrait pour faire se percuter deux aiguilles lancées à 10 km de distance.
Toutes les commandes de l’accélérateur, ses services et son infrastructure technique sont regroupés au Centre de contrôle du CERN. C’est à partir de là que les faisceaux du LHC sont guidés pour entrer en collision en quatre points de l'anneau où se situent quatre détecteurs de particules – ATLAS, CMS, ALICE et LHCb.

Un hadron est un composé de particules subatomiques régi par l'interaction forte. Dans le modèle standard de la physique des particules, ces particules sont composées de quarks et/ou d'anti-quarks ainsi que de gluons.
Les particules constituant un hadron sont appelées de manière générique partons. Les quarks (ou antiquarks) présents dans le hadron tout le long de son existence sont appelés quarks de valence, à l'opposé des particules (paires quark-antiquark et gluons) qui apparaissent et disparaissent en permanence dans le hadron, du fait de la mécanique quantique, et qui sont appelées particules virtuelles. Les gluons sont les vecteurs de l'interaction forte qui maintient les quarks ensemble.
Hadrons communs
Les hadrons communs sont classés selon leurs constituants en différentes sous-familles :
Mésons : hadrons bosoniques (voir boson), formés par des configurations de paires quark/antiquark.
Baryons : hadrons fermioniques (voir fermion), formés de trois quarks.
Hadrons exotiques
D'autres formes de hadrons ont été imaginées par les théoriciens mais, pour la plupart, elles n'ont pas encore été observées. Il s'agit des hadrons exotiques.
Les baryons exotiques sont théoriquement formés d'un nombre impair de quarks et d'antiquarks. Les plus connus sont les pentaquarks qui sont formés de quatre quarks et d'un antiquark. Certaines données expérimentales récentes laissent croire que le pentaquark serait apparu durant différentes expériences. Ces observations sont toutefois controversées.
Les mésons exotiques sont théoriquement formés d'un nombre pair de quarks et d'antiquarks. Parmi eux, les tetraquark(voir tetraquark ), qui sont formés de deux quarks et de deux antiquarks. Pour le moment, ils n'ont pas été observés.
Les mésons hybrides sont théoriquement formés d'une paire quark-antiquark et d'un gluon réel (c'est-à-dire qui existe en permanence et non pas fugitivement lors de l'interaction entre deux quarks). Les mésons hybrides n'ont pas été observés pour l'instant.
Les boules de glu (en anglais, glueballs) sont théoriquement uniquement composées de gluons et ne comportent pas de quarks de valence. Ces états sont très difficiles à distinguer des mésons ordinaires mais pourraient expliquer certains comportements étranges lors d'interactions entre hadrons et leptons (voir théorie de Regge).
Résonances hadroniques[modifier | modifier le code]
Comme les hadrons sont des particules composites, ils peuvent aussi exister sous des états excités que l'on appelle résonances hadroniques. Un grand nombre de ces états excités ont été observés pour chacun des types de hadrons. Ces états s'estompent rapidement (en quelque 10−24 s), par l'interaction forte.
L'hadronthérapie
C'est l'utilisation d'ions légers de haute énergie pour le traitement de tumeurs. Ces ions présentent deux avantages sur les photons largement utilisés en radiothérapie classique:
Ils ont une très bonne balistique, et permettent un ciblage très précis
Ils déposent un maximum d’énergie en fin de parcours (pic de Bragg).
Quand il s'agit d'ions carbone, l'efficacité en termes de destruction des cellules tumorales est - à dose égale - très supérieure à celle des photons ou des protons.
Ces avantages nécessitent en contrepartie un contrôle plus efficace.