Diverses expériences au CERN

Le CERN abrite un large éventail d'expériences. Des scientifiques d'instituts du monde entier forment des collaborations pour les expériences afin de mener à bien un programme de recherche diversifié, ce qui permet au CERN de couvrir une multitude de sujets en physique, allant du Modèle standard à la supersymétrie et des isotopes exotiques aux rayons cosmiques.

Plusieurs collaborations mènent des expériences utilisant le Grand collisionneur de hadrons (LHC), l'accélérateur le plus puissant du monde. En outre, des expériences à cible fixe, des expériences sur l'antimatière et des installations d’expérimentation utilisent la chaîne d'injecteurs du LHC.

Les expériences LHC

Parmi les expériences menées au Grand collisionneur de hadrons (LHC), huit utilisent des détecteurs pour analyser la myriade de particules produites lors des collisions dans l’accélérateur. Ces expériences sont conduites par des collaborations de chercheurs provenant d’instituts du monde entier. Chacune est différente et se caractérise par ses détecteurs.

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Les grandes expériences du CERN auprès du Grand collisionneur de hadrons, vu ici lors de l'installation des aimants dipôle de l'accélérateur (Image : Maximilien Brice/Claudia Marcelloni/CERN)

Les deux expériences les plus grandes, ATLAS et CMS, exploitent des détecteurs polyvalents pour explorer des domaines aussi vastes que possible. Le fait de disposer de deux détecteurs conçus indépendamment est essentiel pour recouper des informations en cas de découverte. ALICE et LHCb utilisent des détecteurs spécialisés pour se concentrer sur des phénomènes particuliers. Ces quatre détecteurs sont logés dans d’énormes cavernes souterraines disposées le long de l’anneau du LHC.

Les plus petites expériences menées au LHC sont TOTEM et LHCf. Elles sont axées sur les particules dites « à très petits angles » – des protons ou des ions lourds qui se frôlent plutôt que d’entrer en collision frontale lorsque les faisceaux se croisent. TOTEM utilise des détecteurs placés de part et d’autre du point d’interaction de CMS, tandis que LHCf est constituée de deux détecteurs disposés le long de la ligne de faisceau du LHC, à 140 mètres de chaque côté du point de collision d’ATLAS. MoEDAL, qui exploite des détecteurs déployés près de LHCb, a été conçue pour la recherche d’une particule hypothétique appelée monopôle magnétique. FASER est la plus récente des expériences LHC ; située à 480 mètres du point de collision d'ATLAS, elle recherche des particules légères et étudie les neutrinos.

A Large Ion Collider Experiment
A Toroidal LHC ApparatuS
Compact Muon Solenoid
Large Hadron Collider beauty
Total, elastic and diffractive cross-section measurement
Large Hadron Collider forward
Monopole and Exotics Detector at the LHC
Forward Search Experiment

Les expériences avec cibles fixes

Dans les expériences avec cibles fixes, un faisceau de particules accélérées est dirigé sur une cible solide, liquide ou gazeuse, qui peut faire partie intégrante du système de détection. 

COMPASS, qui étudie la structure des hadrons (des particules constituées de quarks) utilise des faisceaux du Supersynchrotron à protons (SPS). Le SPS alimente également la zone Nord, qui abrite un certain nombre d'expériences. NA61/SHINE étudie une transition de phase entre les hadrons et le plasma de quarks et de gluons, et effectue des mesures pour des expériences étudiant les rayons cosmiques et les oscillations neutrinos longue distance. NA62 utilise des protons du SPS pour analyser des modes rares de désintégration des kaons. NA63 dirige des faisceaux d'électrons et de positons sur diverses cibles afin d'étudier les processus de rayonnement dans les champs électromagnétiques forts. NA64 recherche de nouvelles particules qui serviraient de médiateurs pour une interaction inconnue entre la matière visible et la matière noire. UA9 étudie comment les cristaux pourraient aider à diriger les faisceaux de particules dans les collisions à haute énergie.

L’expérience CLOUD utilise les faisceaux du Synchrotron à protons (PS) pour étudier un lien possible entre les rayons cosmiques et la formation des nuages. DIRAC, qui analyse actuellement les données, explore les interactions fortes entre les quarks.

Common Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy
SPS Heavy Ion and Neutrino Experiment
North area experiment 62
North area experiment 63
North area experiment 64
Crystal
Cosmics Leaving Outdoor Droplets

Les expériences sur l'antimatière

Actuellement, le Décélérateur d'antiprotons et ELENA servent à plusieurs expériences qui étudient l'antimatière et ses propriétés : AEGISALPHAASACUSA, BASE et GBAR. Les expériences ATRAP et ACE sont à présent terminées.

Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy
Antihydrogen Laser PHysics Apparatus
Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons
Baryon Antibaryon Symmetry Experiment
Gravitational Behaviour of Antimatter at Rest

Les installations pour les expériences

Les installations du CERN pour les expériences comprennent ISOLDE, MEDICIS, l'installation de mesure du temps de vol des neutrons (n_TOF) et la Plateforme neutrino du CERN.

Isotope mass Separator On-Line facility
Neutron time-of-flight facility

Les expériences hors accélérateur

Toutes les expériences ne reposent pas sur le complexe d'accélérateurs du CERN. L'expérience AMS, par exemple, reconnue par le CERN, est installée sur la Station spatiale internationale et est pilotée depuis son centre de contrôle situé sur le site du Laboratoire. Les expériences CAST et OSQAR ont pour objet de trouver des particules hypothétiques de matière noire appelées axions.

Alpha Magnetic Spectrometer
CERN Axion Solar Telescope
Optical Search for QED Vacuum Bifringence, Axions and Photon Regeneration

Les expériences passées

Des centaines d’expériences menées sur plusieurs décennies ont fait partie du programme d’expérimentation du CERN.

Parmi elles figuraient des expériences pionnières de la physique électrofaible, une branche de la physique qui unifie deux des quatre forces fondamentales, à savoir la force faible et la force électromagnétique. En 1958, une expérience auprès du Synchrocyclotron découvre une désintégration rare du pion, qui permettra de faire connaître le CERN dans le monde entier. Par la suite, en 1973, la chambre à bulles Gargamelle présente le premier signe direct de l’existence du courant neutre faible. Dix ans plus tard, les scientifiques du CERN qui travaillent alors sur les détecteurs UA1 et UA2 annoncent la découverte du boson W (en janvier 1983) puis du boson Z (en juin 1983) – les deux porteurs de la force électrofaible. Les deux scientifiques qui ont joué un rôle clé dans ces travaux, Carlo Rubbia et Simon van der Meer, recevront le prix Nobel de physique en 1984.

À partir de 1989, le Grand collisionneur électron-positon (LEP) permettra aux expériences ALEPH, DELPHI, L3 et OPAL d’établir sur des bases expérimentales solides le Modèle standard de la physique des particules. Le LEP cessera d’être exploité en 2000 pour permettre la construction dans le même tunnel du Grand collisionneur de hadrons (LHC).

Les contributions majeures du CERN à la physique électrofaible ne sont que quelques-uns des résultats marquants obtenus par les expériences au fil des années.