La plus petite expérience LHC reprend du service

LHCf est la plus petite des six expériences officielles du LHC. Ses deux détecteurs ne pèsent que 40 kg chacun et mesurent 30 cm de long, 60 cm de haut et 10 cm de large. (Photo : Anne-Laure Perrot/ CERN)

Une fois par an en général, LHCf (Large Hadron Collider forward), la plus petite expérience du Grand collisionneur de hadrons (LHC), sort de son abri. Elle est réinstallée dans le tunnel du LHC, près de l'expérience ATLAS, et reprend du service pour étudier les rayons cosmiques de haute énergie.

Alors qu'ATLAS et les trois autres grandes expériences du LHC – CMS, ALICE et LHCb – étudient toutes les particules produites lors des collisions, LHCf mesure uniquement celles à « très petits angles » par rapport à la ligne de faisceau.

Ces particules à petits angles transportent une grande partie de l'énergie de collision, et leur trajectoire forme un angle très faible avec le faisceau qui est entré en collision. Elles sont donc idéales pour étudier le développement des gerbes de particules que les rayons cosmiques de haute énergie produisent en pénétrant dans l’atmosphère.

« L'objectif de l'expérience LHCf est d'améliorer notre compréhension de la nature des rayons cosmiques de haute énergie, en mesurant et en interprétant les propriétés des particules secondaires libérées lorsque ces rayons entrent en collision avec l'atmosphère terrestre », explique Lorenzo Bonechi, qui dirige une équipe de la collaboration LHCf à Florence, en Italie.

Les deux détecteurs de l'expérience sont installés à 140 mètres de chaque côté du point de collision d’ATLAS. Comme ils ne peuvent être utilisés au cours de la période normale d'exploitation du LHC, il faut attendre que la machine réduise le nombre de collisions, c'est à dire qu'elle fonctionne à basse luminosité (La luminosité est proportionnelle au nombre de collisions se produisant en un temps donné). Si la luminosité est trop élevée, les nombreuses particules à petits angles et de haute énergie peuvent causer des dégâts.

LHCf a été déjà été installée plusieurs fois à proximité du détecteur ATLAS. Cette année, un seul des deux détecteurs de l'expérience a été mis en place. Il recueille des données lors de la période d'exploitation avec ions lourds durant laquelle le LHC fait entrer en collision des protons avec des ions de plomb. Du fait de la nature asymétrique des collisions, le deuxième détecteur aurait été bombardé par les débris des noyaux de plomb, ce qui l’aurait endommagé.

La quantité de débris qui jaillissent à petit angle pendant les collisions dans le LHC et l'énergie que ces particules véhiculent peuvent être comparées aux prédictions des modèles des interactions hadroniques. Ces modèles de physique sophistiqués décrivent les collisions entre des protons et des noyaux, ainsi que toutes les particules issues de ces interactions.

« Lors des précédentes périodes d'exploitation, nous avons constaté des écarts significatifs entre nos données et les modèles des interactions hadroniques les plus avancés, utilisés pour modéliser le comportement des rayons cosmiques qui se déversent sur la Terre lorsqu'ils entrent en contact avec notre atmosphère. LHCf cherche des indices qui aideraient à déterminer lequel de ces modèles donne la description la plus fiable. Les scientifiques travaillant sur ces modèles s'efforcent à présent d'intégrer nos résultats. Nous assisterons donc peut-être prochainement à une révolution dans ce domaine », ajoute Lorenzo Bonechi.

L’exploitation avec des ions de plomb et des protons a commencé le 10 novembre 2016 par des collisions de faible intensité et à basse énergie (5,02 TeV), notamment pour permettre au détecteur ALICE de prendre des mesures. Les faisceaux entrent depuis tôt ce matin en collision à une énergie de 8,1 TeV. LHCf a déjà collecté plusieurs millions de particules et poursuivra la prise de données dans les jours qui viennent.