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Dernières nouvelles du LHC : la physique proton-plomb débute

Le LHC fait entrer en collision des faisceaux de protons et d’ions plomb pour sonder l’Univers primordial à partir duquel s’est formée la matière

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Dernières nouvelles du LHC : la physique proton-plomb débute

L'un des premiers événements proton-plomb à 5,02 TeV tel qu'enregistré par ALICE en novembre 2016.

Comme le veut généralement la tradition, le dernier mois de l’exploitation du LHC est consacré à la physique des ions lourds. Après une campagne réussie de collisions plomb-plomb (Pb-Pb) en 2015, les expériences ont de nouveau sollicité des collisions proton-plomb (p-Pb). Il s’agit d’un mode d’exploitation spécial du LHC qui a démontré son intérêt au cours d’une nuit de l’année 2012, lorsque le LHC fit entrer en collision pour la première fois des faisceaux constitués de deux types différents de particules. En analysant les données, les expériences LHC ont observé avec surprise des signes comparables à ceux que présente le plasma de quarks et de gluons, la substance primordiale qui remplissait l’Univers quelques millionièmes de seconde après le Big Bang.

Le LHC étant à présent passé à un régime de physique de précision avec ions lourds, les expériences ont demandé diverses conditions d’exploitation très spécifiques. La campagne p-Pb commencera par une période de collisions à 5,02 TeV, puis l’énergie sera portée à 8,16 TeV (voir note de bas de page 1), soit l’énergie maximale qu’il est possible d’atteindre aujourd’hui. L'énergie la plus faible correspond à celle des collisions proton-plomb de 2013, à celle des collisions plomb-plomb de 2015, ainsi qu’à celle de certaines collisions proton-proton. Le but est de réaliser des comparaisons précises entre ces différents types de collisions. Cette période de collisions est principalement destinée à l’expérience ALICE. À l’énergie maximale, ATLAS, CMS, ALICE, LHCb et LHCf enregistreront toutes des données avec une luminosité la plus élevée possible.   

De nombreux travaux d’ingénierie préparatoires, notamment l’installation des calorimètres 0° des expériences, capables de distinguer une collision centrale d’une collision périphérique d’ions, et celle de nouveaux détecteurs LHCf, ont été effectués durant l’arrêt technique de la semaine dernière. Des modifications spéciales ont été apportées à l’instrumentation de faisceau du LHC, aux seuils de perte de faisceau et aux systèmes d’aimants de déflexion rapide. Les systèmes cryogéniques, ainsi que d’autres dispositifs du LHC, ont dû être remis en fonctionnement après une interruption de plusieurs heures de l’approvisionnement externe en électricité, le 2 novembre. Cette opération a été effectuée plus rapidement que prévu. En effet, les faisceaux étaient déjà de retour dans le LHC le week-end dernier, ce qui a permis de commencer l’intense programme de configuration.

Faire entrer en collision des faisceaux asymétriques pose de nouveaux défis aux équipes chargées des opérations et de la physique des faisceaux du LHC. En effet, les protons et les ions plomb circulent à des vitesses légèrement différentes. Il est donc nécessaire d’appliquer une procédure spéciale de calage afin qu’ils puissent entrer en collision à pleine énergie.

Par ailleurs, les deux faisceaux sont créés à partir de sources d’ions différentes et le LHC dépend de son complexe d’injecteurs. La plupart des accélérateurs du CERN entrent en jeu et doivent produire simultanément, de manière fiable, des faisceaux des deux types de particules. Cela signifie également que l’exploitation proton-plomb est davantage vulnérable aux défaillances d’un système. Ainsi, des contretemps ont été inévitables. On citera notamment une défaillance du vénérable Linac 2, l’actuelle source de l’ensemble des protons du CERN, qui a retardé le début de la physique proton-plomb.

Des « faisceaux stables » ont finalement été annoncés le 10 novembre à 14 h 33. Par la suite, les équipes augmenteront le nombre de paquets dans le but d’obtenir de longs cycles de collisions avec une luminosité nivelée, principalement pour ALICE. Quelques jours après, elles poursuivront la mise en service pour l’énergie plus la élevée et une luminosité maximale.


(1) Il s’agit des énergies dans le centre de masse par paire de nucléons en collision. Elles sont atteintes en configurant les aimants du LHC pour des énergies de faisceaux de protons de 4 TeV et 6,5 TeV respectivement.