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Peu de collisions, mais de grandes attentes

Cette semaine, le LHC réalise une exploitation spéciale à très faible luminosité pour les expériences TOTEM et ATLAS/ALFA

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Great expectations from fewer collisions

Nicola Turini, porte-parole adjoint de TOTEM, devant l'un des « pots romains » de l'expérience, dans le tunnel du LHC. (Photo : Maximilien Brice/CERN)

En général, l'objectif du LHC est d'atteindre une luminosité maximale (en d’autres termes le plus de collisions possible). Cette semaine, toutefois, le LHC oublie ce mot d'ordre pour réaliser une exploitation spéciale à très faible luminosité, destinée aux expériences TOTEM et ATLAS/ALFA.

Cette exploitation doit permettre aux scientifiques d'étudier un type d'interaction particulier, appelé « diffusion élastique ». La diffusion élastique est le processus qui a lieu lorsque deux protons restent intacts après leur rencontre dans le détecteur ; ils n'entrent pas en collision, ne créent donc pas de nouvelles particules, et se contentent de changer légèrement de direction. Lors de l'exploitation normale du LHC, cette interaction n'est pas observable, car il est plus probable que les protons entrent en collision et créent de nouvelles particules.

Ces interactions élastiques sont précieuses pour les scientifiques, car elles leur donnent la possibilité d'étudier la structure interne des protons, et de déterminer quelle partie du proton est effectivement responsable de ce type d'interaction. Nous savons en effet que les protons sont des particules composites, formées de trois quarks (deux quarks u et un quark d) « collés » ensemble par des gluons. Mais nous ne connaissons pas la disposition exacte de ces composants, et ne savons pas non plus lesquels jouent effectivement un rôle lorsque deux protons rebondissent l'un sur l'autre lors de la diffusion élastique.

Ce type d'étude est également utile pour comprendre la dynamique des rayons cosmiques, des particules de haute énergie issues de l'extérieur du système solaire qui, lorsqu’elles se rapprochent de la surface de la Terre, se heurtent à notre atmosphère et produisent ainsi une pluie de particules secondaires.

TOTEM et ATLAS/ALFA exploitent des détecteurs situés de part et d’autre de deux grands détecteurs du LHC : CMS pour TOTEM et ATLAS pour ATLAS/ALFA. Ces deux expériences particulières étudient les protons issus du processus de diffusion élastique, qui arrivent donc suivant des trajectoires légèrement modifiées par rapport à leur trajectoire initiale (dans ce que l'on appelle « la région des petits angles »).

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Une partie de l'équipement de l'expérience ATLAS/ALFA au point 1 du LHC. (Photo : Ronaldus Suykerbuyk)

L'un des objectifs de physique de TOTEM est d'obtenir des informations sur la probabilité que deux protons passent complètement l'un à travers l'autre sans interférer. Cela peut paraître étrange si l'on imagine les protons comme des boules de billard, mais il faut au contraire essayer de se les représenter comme deux grandes « galaxies », composées de minuscules particules en mouvement, lancées à grande vitesse l'une contre l'autre : il y a une probabilité définie que les deux « galaxies » passent l'une à travers l'autre sans que les particules internes interagissent de façon notable.

L'expérience ALFA (Absolute luminosity for ATLAS) a pour mission de fournir une estimation indépendante de la luminosité du LHC en mesurant la diffusion élastique proton-proton dans les petits angles.

Pour en savoir plus sur TOTEM et ATLAS/ALFA, et sur les exploitations spéciales du LHC pour la physique, lisez cet article.