Lhc | Dr. Goulu

La FAQ du LHC

Fri, 12 Sep 2008 00:00:00 +0000

Quelques questions fréquemment posées à propos du LHC du CERN :

C’est quoi, un hadron ?
D’où viennent les protons ?
Combien y’a-t-il de protons qui tournent ?
Combien de temps les protons passent-ils dans l’expérience ?
MeV, GeV, TeV ???
Violent comme une collision de moustiques … ou de trains ?
Comment font les protons pour tourner dans des sens différents ?
ALICE

C’est quoi, un hadron ?

Logiquement, le LHC aurait pu s’appeler LPC, pour “large proton collider” parce qu’on y fracassera prochainement des protons les uns contre les autres. Mais plus tard, on va également y accélérer des noyaux de plomb, formés de protons et de neutrons. Les protons et les neutrons appartenant à la famille des (ce sont plus précisément des ), on a trouvé que LHC, ça sonnait bien. Moi j’aurais préféré un nom plus poétique comme “tournicoton” ou “femto-banger”, mais on ne m’a pas demandé mon avis.

D’où viennent les protons ?

Le proton forme le noyau de l’atome le plus simple : l’hydrogène, qui est aussi de loin l’élément le plus abondant dans l’Univers. On en injecte un tout petit peu dans le “ ” dessiné ci-dessous par le “Gas feed”. Dans la “plasma chamber”, l’hydrogène est tellement chauffé par un arc électrique que les protons et les électrons qui leur tournent autour se séparent.

schéma du Duoplasmatron Proton Ion Source du CERN.

Au milieu de ce plasma se trouve la cathode et au bout du canal étroit, l’anode. Entre les deux on applique par impulsions une tension de 92'000 volts, ce qui accélère les protons en direction de la droite, et les électrons vers la gauche, où ils se font manger. Les électroaimants en vert servent à regrouper les protons le plus possible en un faisceau, mais ils arrivent par gros paquets à l’anode. L’ “expansion cup” les dilue un petit peu, de sorte qu’à la sortie on a de beaux trains de protons.

Tout ça n’est pas gros du tout, voici une photo du dispositif avec une bouteille d’hydrogène qui devrait suffire pour quelques années de fonctionnement :

Combien y’a-t-il de protons qui tournent ?

Il y a 2808 paquets de protons qui tournent en même temps dans le LHC dans chaque sens, et chaque paquet contient 100 milliards de protons. Au total, il y a un dix-milliardième de gramme de protons répartis sur les 27km de tube.

Combien de temps les protons passent-ils dans l’expérience ?

schéma des accélérateurs du CERN

Quand un proton quitte sa source, il traverse un premier petit accélérateur linéaire, le “linac” qui l’accélère à 50 MeV en quelques microsecondes, et entre dans le “Proton Synchroton Booster” (PSB) qui l’accélère à 1.4 GeV en 530 millièmes de seconde. Puis il est injecté dans le “ ” (PS), un accélérateur de 628m de circonférence datant de 1959. Là il est accéléré pendant environ 1 seconde. Il est déjà presque à la vitesse de la lumière, donc il parcourt 300'000 km pendant ce temps, soit près de 500'000 tours. Dans certains cas, le proton reste encore 1 seconde de plus avant d’être passé au SPS. Le “supersynchroton à protons” (SPS) est un accélérateur de 7 km de périmètre datant de 1976 ou les paquets de protons attendent entre 10.8 secondes et 0 secondes, ce qui permet de regrouper 4 paquets venant du PSB en un seul, prêt à passer dans le LHC. Jusqu’ici les protons ont passé entre 6 et 18 secondes environ dans l’antichambre de la bête.

Puis, les 2808 paquets de protons sont injectés un à un dans chaque sens du LHC pendant 20 minutes à une énergie de 450 GeV et quand ils se suivent bien gentiment à une distance de 7.5 mètres les uns des autres et que tout est stable, on met la gomme pendant 25 minutes pour atteindre les 7 TeV

MeV, GeV, TeV ???

L’ (eV) est une unité à tout faire. A la base, c’est la minuscule énergie d’un électron accéléré par une tension de 1 Volt. Mais selon la célèbre équation d’Albert E=mc2 lue à l’envers, m=E/c2, la masse d’une particule peut aussi être mesurée en électron-volt (divisés par la vitesse de la lumière au carré, mais on laisse souvent tomber ce détail). Ainsi, un proton au repos à une masse de .938 GeV (Giga-électron-volt) et dans le LHC on l’accélère à 7 TeV (Tera-électron-volt) soit 7000 GeV.

Comme Albert s’obstine à dire que l’énergie et la masse c’est la même chose à un facteur près, ça signifie qu’à la vitesse correspondant à cette énergie (99.999999% de la vitesse de la lumière, “huit neufs” comme j’appelle ça dans “ ”), tout se passe comme si le proton pesait plus de 7000x son poids au repos. Le choc n’en sera que plus violent.

Violent comme une collision de moustiques … ou de trains ?

Même multipliée par 7000, la masse d’un tout petit proton n’est que de 1.2477-23 Kg, mais il va très vite. En se fracassant contre un autre l’énergie libérée est de 226'961 Joules, soit 0.063 KWh pour parler en unités d’énergie plus habituelles. C’est vraiment pas beaucoup, mais c’est extraordinairement concentré dans un minuscule pouillème d’espace.

D’un autre côté, le LHC devrait produire environ 2 milliards de telles collisions par seconde, et ça, ça correspond à une puissance telle que j’ai du me planter quelque part dans les calculs…

(La suite date du 16/9/2008)

Heureusement est venu à la rescousse : On parle de 600 millions de collisions par seconde. Au maxium, une collision est de 14 TeV (2 fois 7 TeV). 1 eV est égale à 1,602e-19 Joule. On obtient alors par seconde :

14e12*1,602e-19*600e6 = 1 345 Joules / sec = 1 345 Watt

Donc le LHC fournit une puissance (de collision) égale à environ 1,3 kW… Pas de quoi fouetter un chat mais c’est fabuleux quand on regarde la masse d’un proton.

Concernant l’énergie d’un faisceau LHC à 7 TeV, on obtient pour les 2808 bunches contenant 100 milliards de protons: 2808*100e9*7e12*1.602e-19 = 314 889 120 Joules

Donc l’énergie contenu dans le faisceau est de 350MJ (ca fait un TGV de 400 tonnes à 150 km/h).

L’énergie emmagasinée dans les aimants supraconducteurs pour faire tourner et focaliser les faisceaux est quant à elle gigantesque : on obtient un total de 11 GJ dans les aimants du LHC (de quoi faire fondre une demi tonne de cuivre).

Comment font les protons pour tourner dans des sens différents ?

D’abord, comme on le voit sur une figure précédente, les protons accélérés dans un seul sens dans le SPS sont transférés au LHC par deux chemins différents illustrés en rouge.

Pour tourner en rond dans les deux sens, les faisceaux de protons doivent être courbés par 1232 (8.3 Teslas, 11'850 Ampères, 35 tonnes / pièce …), mais qui doivent générer des champs inverses pour les deux directions .

Comme on le voit sur la coupe ci-contre, il y a en réalité 2 bobines supraconductrices pour chaque sens de circulation, avec des pôles N et S inversés, ce qui crée des lignes de champ illustrées sur l’image suivante :

Ce qui peut paraitre surprenant aussi c’est que le champ est orienté haut/bas et pas horizontal. Il faut se souvenir que ce n’est pas le proton qui est attiré par l’aimant, mais que c’est le courant électrique créé par son déplacement linéaire qui interagit avec le champ magnétique de l’aimant, ce qui crée sur les protons une force perpendiculaire au déplacement par la règle du tire-bouchon.

A noter que ce ne sont pas des aimants qui accélèrent les protons, mais des “cavités accélératrices” dans lesquelles règne un champ électrique de 6000V/m. Chaque cavité ne fonctionne que sur un seul sens.

(La suite date du20/9/2008)

ALICE

ALICE est l’un des 4 détecteurs installés aux 4 points ou les faisceaux se croisent. “Alice”, c’est l’acronyme de “A Large Ion Collider Experiment” : une expérience de collision de grozions gros ions. Les ions en question sont des noyaux de plomb contenant 82 protons que le LHC accélèrera une fois par mois environ au lieu de protons.

L’énergie des noyaux sera de 82 x 7=574 Tev, mais ça ne fait “que” 574/208 = 2.76 TeV par nucléon, à cause des neutrons. On aura donc des collisions plus énergétiques, mais des densités d’énergie moins élevées. Le but d’ALICE est d’étudier la purée quarks+gluons, en particulier des questions comme :

A quoi ressemble la matière chauffée à 100'000 x la température au centre du soleil ?
Pourquoi les protons et les neutrons pèsent 100x plus lourd que les 3 quarks dont ils sont constitués ? (et ça c’est une vachement bonne question…)
Peut-on libérér les quarks collés (par les gluons) dans les protons et les neutrons ?

D’autres questions ?

Posez-les dans les commentaires et on tentera d’y répondre.

Références:

C.E. Hill “ ” CERN, Geneva, Switzerland
l’inévitable
au cea : plein d’illustrations intéressantes
et aussi

Suites, Courbes et Théories

Sat, 23 Aug 2008 00:00:00 +0000

(une des bannières du Guardian. A utiliser sans modération. Cliquer pour plus)

Si je vous dis “quel nombre vient après 1,2,3, ?” vous allez certainement dire immédiatement “4”.

Si je vous dis réponds “non, c’est 5. Quel est le suivant ?” vous allez probablement penser aux nombres premiers et me dire “7” (oubliant au passage que 1 n’est pas considéré comme premier, alors qu’il pourrait l’être pusiqu’il ne se divise que par 1 et par lui-même…)

Et là si je vous dis “non, le suivant est 8. Et celui d’après ?” vous allez peut-être vous rappeler de la , dans laquelle chaque nombre est la suite des deux précédents : 1,2,3,5,8 et donc proposer 13 comme nombre suivant. Si je voulais pousser le bouchon, je pourrais et dont beaucoup continuent avec un autre nombre que 13, et répéter l’expérience encore plusieurs fois.

Le point essentiel est qu’il existe une infinité de courbes distinctes passant par des points donnés. Ce qui distingue ces courbes, c’est les points qui ne sont pas donnés, ou pas encore. Ceci est hyper important et super fondamental, rappelez-vous toujours de ça. Par exemple lorsque des financiers vous proposent des placements en vous montrant les belles courbes croissantes de leurs rendements sur les X dernières années, vous les projetez mentalement dans le futur, au risque de vous faire avoir comme ci-dessus.

Ce même principe peut être appliqué aux théories scientifiques. Je me restreins ci-dessous à la physique, mais le raisonnement me semble fondamental dans la démarche scientifique en général.

Si on prend tous les résultats de toutes les expériences scientifiques réalisées depuis Archimède dans sa baignoire jusqu’aux dernières photos de Hubble en passant par la pomme de Newton et l’éclipse d’Einstein et qu’on réduit ces résultats à des nombres* que l’on alignerait sur l’axe du temps, les théories scientifiques proposées pour expliquer les phénomènes observés correspondent à des courbes passant par certains de ces points :

celles qui ne passent que par un seul point sont des idées qui ont mal tourné, genre “comme les oiseaux qui volent ont des plumes” (1 fait expérimental) “si je me colle des plumes et que je saute d’une tour, je vais voler … “. La courbe ne passe pas par le point prévu mais par un autre : “sauter d’une tour avec ou sans plumes fait très mal”.
celles qui passent par quelques points, mais plus du tout par les suivants, comme la et bien d’autres.
celles qui passent par beaucoup de points, et juste à côté de certains autres, comme la gravitation de Newton qui décrit parfaitement la plupart des phénomènes de la mécanique terrestre et céleste, mais est juste un peu fausse pour tout ce qui est très lourd ou va très vite, et très faux pour les petites particules.
celles qui passent par au moins la moitié de tous les points connus. La mécanique quantique et la relativité couvrent chacune une bonne moitié de la physique actuelle, avec des points de contact toujours plus nombreux.
les “ ”, qui passent par tous les points mesurés par la physique. C’est beaucoup plus facile que ce qu’on croit car rappelez-vous, il y en a en principe une infinité, parmi lesquelles :
- la
- la
- la
- la
- la
- la théorie de
- les
- les
- Dieu a créé l’Univers il y a 5000 ans (ou 5 minutes selon une autre théorie) en faisant tout pour qu’on croie que l’Univers a surgi du Big Bang il y a 13 milliards d’années.
- le , légère variante de la précédente.
- et encore beaucoup d’autres

Avant de hurler parce que j’ai osé les mettre toutes à égalité, lisez bien la suite. Certaines de ces théories font des courbes bien lisses et cohérentes, d’autres font des acrobaties et assènent des postulats pour coller à certains points, mais leurs adhérents sont inattaquables : ils ont réponse à tout puisque leur théorie correspond à la perfection à tout ce qui a été observé jusqu’ici.

Le seul moyen de les distinguer, c’est sur les résultats qu’elles prédisent au sujet d’expériences qui n’ont pas encore été réalisées. La gravitation de Newton, la relativité et la mécanique quantique sont des théories extraordinairement fortes pas parce qu’elles collaient aux mesures, mais parce qu’elles se sont révélées capables de correspondre aux expériences menées pendant des decennies après leur formulation.

En reprenant les théories de tout ci-dessus, certaines jouent le jeu scientifique et sont prêtes à être validées ou invalidées prochainement au CERN ou ailleurs. Celles qui postulent un avant-Big Bang ou des univers parallèles sont invérifiables à très long terme, voire définitivement. D’autres nécessitent l’expérience de la mort pour une ultime vérification, mais au moins on saura (ou pas…).

Mais la palme de la démarche anti scientifique revient probablement plus aux qu’aux cré(a)ti(on)nistes : en gros ils exigent de ne surtout pas faire d’expérience qui leur donnerait raison, car elle provoquerait une catastrophe définitive. Et évidemment, ils ne proposent pas d’autre expérience permettant de valider leur théorie sans danger. Ca c’est du courage.

*Note : il y a plusieurs manières de faire. On peut faire un “checksum” genre CRC-32 du compte rendu de leurs expériences, ou faire un très grand nombre binaire en mettant toutes les informations à la suite etc.

Nostradamus et les Catastrophysiciens

Sun, 08 Jun 2008 00:00:00 +0000

Après Superman, James Bond et Georges W. Bush, de nouveaux super-héros sont en train de de la destruction totale par les méchants.

N’écoutant que leur courage, les Catastrophysiciens Luis Sancho et Walter Wagner ont pointé leur contre les savants fous qui se préparent à donner la Terre à avaler au micro trou noir qu’ils vont produire avec le LHC du CERN.

A l’appui de leur théorie, les amis de Catastrophysiciens citent une référence de poids : ! Voici le quatrain qui annonce la catastrophe :

Migrés, migrés de Geneue trestous, Saturne d’or en fer se changera, Le contre Raypoz exteriminera tous, Auvant l’aruent le ciel signes fera.

En clair ça donne : Fuyez, fuyez tous de Genève, Saturne se changera d’un truc qui brille en truc qui brille pas et les rayons positifs contraires extermineront tout le monde, mais avant, le ciel deviendra tout rouge par Effet Doppler. (Je suis pas mauvais en interprétation de Nostradamus, je trouve… )

Notez comme l’énigmatique mot “Raypoz” de la prédiction trouve tout son sens avec les faisceaux de protons. D’ailleurs, il y a un même un petit dessin prophétique qui confirme cette interprétation :

(détail d’une illustration du “ ”, le “livre perdu de Nostradamus”. Cliquer dessus pour le dessin complet)

On voit bien les deux poissons (Nostradamus ne savait pas bien dessiner les protons…) qui se croisent en sens inverse, lançés avec un arc à supraconducteur, et le trou dans le sol creusé par le micro trou noir qui descend au centre de la Terre, d’où il absorbera tout, comme dans ce joli film :

Tout est limpide n’est ce pas ? Sauf que d’après le texte on peut s’en tirer en fuyant Genève, ce qui fait que d’autres voient plutôt une annonce d’ d’après le même texte…

Concrètement donc, des juges américains ont considéré comme recevable la plainte de Luis Sancho et Walter Wagner, et assigné le partenaire du CERN en justice. Les physiciens du monde entier vont devoir probablement prouver que leurs expériences au LHC sont sans danger, alors que c’est justement le but du LHC de valider scientifiquement les prédictions de la théorie du “modèle standard” et/ou de ses diverses ramifications.

Et les super-héros qui reçoivent une publicité mondiale, que risquent-ils, eux ? A mon avis, on ne devrait que les obliger à avoir le même courage que Paco Rabanne, qui s’était engagé à ne plus faire de prédictions si comme l’avait prédit Nostradamus (déjà…). Il s’est et ne la ramène plus.

Les scientifiques signent tous implicitement ce que j’appelle le “Serment de Paco Rabanne” : si les prédictions de ma théorie ne se vérifient pas, c’est que je me suis planté alors après je me fais très discret. Pour être pris au sérieux, les catastrophysiciens et leurs amis devraient être forcés à le signer explicitement : si le CERN ne détruit pas la Terre, on fait amende honorable et on ne la ramène plus.

Références :

Alan Gillis “ ”, the Science of Conundrum
(en anglais) sur history.com
" " sur le ZebraBlog de Sugus, qui a trouvé le document juridique et motivé ce second article, merci !
Alan Boyle, “ ” sur CosmicLog
un forum initié par les catastrophysiciens avec un début de débat

Le Big Bang en une image

Fri, 30 May 2008 00:00:00 +0000

Si vous comprenez le très bon anglais, regardez . Ce jeune et enthousiaste physicien du CERN présente le LHC du CERN dans le contexte des interrogations actuelles en physique. A un moment, il montre cette image de nos connaissances actuelles de l’histoire de l’Univers:

Cette figure montre le BigBang à gauche, il y a 13.7 milliards d’années, la phase “inflatoire” où il a gonflé exponentiellement en 380'000 ans, avant que la purée de matière ne s’agglomère par gravitation pour former les étoiles (les premières 400 millions d’années après le Big Bang seulement), les galaxies, amas et superamas qui constituent l’univers actuel.

Le satellite représenté à gauche, c’est qui a mesuré la densité de la purée de matière telle qu’elle était 380'000 ans après le Big Bang, à la fin de l’inflation. C’est l’image la plus ancienne de l’Univers que l’on puisse obtenir par l’astronomie, on en voit un bout sur la tranche d’Univers la plus à gauche ci-dessus, mais la voici au complet, correspondant à la voute céleste complète :

Cette image montre qu’il y avait déjà des grumeaux dans la purée, mais sans structure claire : le Big Bang a “pété droit”, mais des phénomènes survenus immédiatement ensuite ont créé une légère anisotropie.

“Comment ?”, c’est l’une des questions que le LHC va contribuer à résoudre, une autre étant la raison de l’accélération de l’expension de l’univers, aussi représentée sur la première figure. WMAP et d’autres mesures montrent que de “l’énergie sombre” fait que les Galaxies se repoussent. C’est comme si : l’attraction faiblit au fur et à mesure que l’Univers vieillit. Tout ça devrait être éclairci très bientôt par mes voisins, au CERN.

On va tous mourir !

Thu, 17 Apr 2008 00:00:00 +0000

Intéressant de voir comme le catastrophisme attire. Des films holywoodiens aux sectes apocalyptiques, la recette de la fin du monde a toujours du succès.

Après la guerre nucléaire totale, l’énorme météore qui frappe la Terre, le Déluge suite à la fonte des glaces de l’Antarctique, les virus ebola croisés avec la grippe aviaire voire le Soleil qui s’éteint et bien d’autres, voici le petit dernier à la mode : l’annihilation de la planète suite à la mise en service du LHC au CERN !

Au début j’ai cru à un gag, puis à un moyen tordu de faire parler de soi, mais la plainte de Luis Sancho et Walter L. Wagner visant à empêcher la mise en service du nouvel accélérateur de particules se révèle être la pointe de l’iceberg. Il y a apparemment des gens qui ont vraiment peur que la collision de deux protons à haute énergie cause la Fin du Monde !

Si vous voulez vous préparer au pire, le vous dirigera vers d’autres, comme:

une véritable intitulée “La France construit la machine de la Fin du Monde” dans laquelle, en plus, le CERN est soupçonné de produire assez d’antimatière pour détruire les environs (pas grave), mais surtout qu’elle pourrait être utilisée par des terroristes ! Et les commentaires sont du même niveau : lamentables.
propose un pavé indigeste démontrant que les gens du CERN ne connaissent rien à la physique et vont détruire le joli monde créé par Dieu Tout Puissant.
le site (suisse!), dont l’auteur reprend par cut & paste des infos glanées sur le web et se fend même d’un commentaire sur

J’aurais du respect pour Luis Sancho, Walter L. Wagner et les courageux anonymes éditant les sites mentionnés plus haut s’ils imitaient . Depuis, on est tranquilles.

De mon côté, je m’engage à ne plus jamais parler de physique si le LHC absorbe la Terre dans un trou noir…

A noter un site beaucoup plus sérieux, celui de la , qui étudie scientifiquement les risques menaçant l’humanité et de proposer des “shields”, des protections. contient des informations et des liens très intéressants comme :

les vidéos officielles expliquant le fonctionnement d’
des en construction
la belle image ci-dessous, représentant la simulation de ce qu’ATLAS devrait détecter : la création d’un boson de Higgs à partir de l’énergie pure créée par le choc de deux protons.