Alors que la campagne de collisions d’ions lourds bat son plein au LHC, il est intéressant de revenir sur l’exploitation à basse énergie qui s’est déroulée les 29 et 30 avril derniers. Démontrant une nouvelle fois la polyvalence du complexe d’accélérateurs du CERN, le LHC a temporairement abandonné son mode d’exploitation standard à haute énergie pour une exploitation spéciale à basse énergie, destinée à répondre principalement aux besoins de l’expérience LHCb. Cette campagne spéciale, menée à une énergie de faisceau de 1,2°TeV au lieu des 6,8 TeV habituels pour les collisions proton-proton de la troisième période d’exploitation, a permis d’observer des processus de physique importants non seulement pour la physique des particules, mais aussi pour l’astrophysique et pour l’étude des rayons cosmiques.

Tandis que le mode d’exploitation standard du LHC vise à porter l’énergie de collision à son maximum afin que les scientifiques puissent examiner des processus rares et rechercher de nouvelles particules, les exploitations à basse énergie sont l’occasion d’étudier la production de particules dans un régime cinématique plus proche de celui observé dans les interactions des rayons cosmiques dans l’espace. L’exploitation à 1,2 TeV apporte, en particulier, des informations essentielles pour l’interprétation des mesures de l’antimatière dans les rayons cosmiques qui sont effectuées par des expériences menées depuis l’espace, telles que le Spectromètre magnétique alpha (Alpha Magnetic Spectrometer – AMS) et le satellite Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics (PAMELA). Il est, en effet, nécessaire de disposer de mesures précises de la production d’antiprotons pour distinguer d’éventuelles signatures de la matière noire de processus astrophysiques classiques.

Pour mener ces études, LHCb a utilisé son système SMOG2, une cellule de stockage de gaz installée directement en amont du localisateur de vertex, le sous-détecteur VELO. SMOG2 injecte des gaz dans le tube de faisceau si bien que les faisceaux de protons circulant dans le LHC entrent en collision non seulement entre eux, mais aussi avec des cibles gazeuses. Au cours de l’exploitation à basse énergie dont il question ici, des données ont été recueillies à partir de collisions avec des cibles d’hydrogène, de deutérium et d’hélium ; la collaboration LHCb a ainsi pu étudier la production d’antiprotons dans plusieurs systèmes de collision.

Cette exploitation spéciale a été rendue possible grâce à la flexibilité du détecteur LHCb amélioré. Le nouveau détecteur à pixels VELO, le système amélioré SMOG2 et le système de déclenchement, entièrement basé sur des logiciels, se sont avérés particulièrement bien adaptés aux changements rapides que suppose cette exploitation. Celle-ci a, en outre, nécessité une coordination étroite entre les équipes de l’expérience et celles de l’accélérateur. En l’espace de deux jours seulement, l’accélérateur a dû subir une version condensée d’une mise en service standard, comprenant notamment des balayages pour l’étalonnage de la luminosité, l’optimisation du faisceau et la montée en intensité.

Malgré toutes ces difficultés, la campagne d’exploitation a été très fructueuse. À l’issue de cinq cycles pour la physique, tous les objectifs de luminosité ont été atteints, plus d’un milliard d’événements avec cibles fixes ont été enregistrés pour chaque gaz, et environ 7 pb^-1 de données de collisions proton-proton ont été collectées. Cette campagne a donc permis d’étoffer encore davantage le programme de physique, déjà très riche, de LHCb pour la troisième période d’exploitation : à ce jour et depuis le début de la période, l’expérience a travaillé sur27 systèmes de collision. L’analyse de ces nouveaux ensembles de données est en cours ; elle devrait apporter des informations inédites, et très attendues, sur les interactions des rayons cosmiques – informations que seule cette exploitation spéciale à basse énergie pouvait mettre à notre portée.