Organisation européenne pour la recherche nucléaire, frontière franco-suisse

L’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, également appelée Laboratoire européen de physique des particules et communément connue sous l’acronyme CERN ou Cern (du nom du Conseil européen pour la recherche nucléaire, un organisme provisoire créé en 1952), est la plus grande particule centre de physique du monde. Il est situé à quelques kilomètres de Genève, en Suisse, à cheval sur la frontière franco-suisse, sur les communes de Meyrin, Prévessin-Moëns et Saint-Genis-Pouilly.

Le CERN vise à mieux comprendre de quoi est fait l’Univers et comment il fonctionne. Pour ce faire, le CERN met à la disposition des scientifiques un complexe, unique au monde, d’accélérateurs de particules, leur permettant de repousser les limites de la connaissance humaine. Fondé en 1954, le Laboratoire est devenu un exemple remarquable de collaboration internationale. Notre mission est de: fournir un complexe unique d’accélérateurs de particules permettant une recherche à la pointe de la connaissance humaine; mener des recherches de classe mondiale en physique fondamentale; rassembler des gens du monde entier pour repousser les limites de la science et de la technologie au bénéfice de tous.

Le CERN, créé en 1954, est basé dans la banlieue nord-ouest de Genève à la frontière franco-suisse et compte 23 États membres. Israël est le seul pays non européen à devenir membre à part entière. Le CERN est un observateur officiel des Nations Unies. L’acronyme CERN est également utilisé pour désigner le laboratoire qui, en 2016, comptait 2500 membres du personnel scientifique, technique et administratif, et hébergeait environ 12000 utilisateurs.

La fonction principale du CERN est de fournir les accélérateurs de particules et autres infrastructures nécessaires à la recherche en physique des hautes énergies – en conséquence, de nombreuses expériences ont été construites au CERN grâce à des collaborations internationales. Le site principal de Meyrin héberge une grande installation informatique, qui est principalement utilisée pour stocker et analyser les données d’expériences, ainsi que pour simuler des événements. Les chercheurs ont besoin d’un accès à distance à ces installations, de sorte que le laboratoire a toujours été un important centre de réseau étendu. Le CERN est également le berceau du World Wide Web.

L’histoire
La convention instituant le CERN a été ratifiée le 29 septembre 1954 par 12 pays d’Europe occidentale. L’acronyme CERN représentait à l’origine les mots français pour Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Conseil européen pour la recherche nucléaire), qui était un conseil provisoire pour la construction du laboratoire, établi par 12 gouvernements européens en 1952. L’acronyme a été conservé pour le nouveau laboratoire après le conseil provisoire a été dissous, même si le nom a été changé pour devenir l’actuelle Organisation européenne pour la recherche nucléaire (Organisation européenne pour la recherche nucléaire) en 1954. Selon Lew Kowarski, ancien directeur du CERN, lorsque le nom a été changé, l’abréviation pourrait sont devenus l’OERN maladroit, et Werner Heisenberg a déclaré que cela pourrait “encore être le CERN même si le nom est”.

Le premier président du CERN était Sir Benjamin Lockspeiser. Edoardo Amaldi était le secrétaire général du CERN à ses débuts lorsque les opérations étaient encore provisoires, tandis que le premier directeur général (1954) était Felix Bloch.

Le laboratoire était à l’origine consacré à l’étude des noyaux atomiques, mais fut bientôt appliqué à la physique des hautes énergies, principalement préoccupée par l’étude des interactions entre particules subatomiques. Par conséquent, le laboratoire exploité par le CERN est communément appelé le laboratoire européen de physique des particules (Laboratoire européen pour la physique des particules), ce qui décrit mieux les recherches qui y sont menées.

Membres fondateurs
Lors de la sixième session du Conseil du CERN, qui s’est tenue à Paris du 29 juin au 1er juillet 1953, la convention portant création de l’organisation a été signée, sous réserve de ratification, par 12 Etats. La convention a été progressivement ratifiée par les 12 États membres fondateurs: Belgique, Danemark, France, République fédérale d’Allemagne, Grèce, Italie, Pays-Bas, Norvège, Suède, Suisse, Royaume-Uni et Yougoslavie.

Découvertes
En 1983, la théorie électrofaible est presque complètement confirmée, les forces faibles et électromagnétiques sont presque unifiées. C’est également cette année, le 13 septembre, que commencent les premiers travaux du LEP. En 1984, Carlo Rubbia et Simon van der Meer ont reçu le prix Nobel de physique en octobre pour leur découverte concernant la force électrofaible. Suite à l’inauguration du LEP en 1989, les prédictions de la théorie sur la force électrofaible sont confirmées, en particulier l’existence de particules chargées (bosons W) dont la masse est environ 80 fois celle du proton ainsi qu’une particule neutre (le boson Z ) dont la masse est environ 91 fois celle du proton.

Entre 1989 et 1990, Tim Berners-Lee, accompagné de Robert Cailliau, a conçu et développé un système d’information hypertexte, le World Wide Web.

En 1992, Georges Charpak a reçu le prix Nobel de physique pour des travaux menés au CERN en 1968 (développement de la chambre proportionnelle multi-fils).

Le 18 novembre 2010, des chercheurs annoncent avoir réussi à piéger pour la première fois des atomes d’antihydrogène dans un champ magnétique.

Le 4 juillet 2012, une nouvelle particule est identifiée, dont les propriétés semblent compatibles avec celles du boson de Higgs tel que décrit par la théorie. Des résultats supplémentaires de cette expérience traitée en 2013 ont confirmé que cette nouvelle particule élémentaire est un boson de Higgs, dont les propriétés sont jusqu’à présent compatibles avec celles décrites par le modèle standard. Le prix Nobel de physique a été décerné en 2013 aux physiciens théoriciens François Englert et Peter Higgs pour leurs travaux théoriques sur cette particule, prédisant son existence à partir des années 1960.

Réalisations scientifiques
Plusieurs réalisations importantes en physique des particules ont été réalisées grâce à des expériences au CERN. Ils comprennent:

1973: Découverte des courants neutres dans la chambre à bulles Gargamelle;
1983: Découverte des bosons W et Z dans les expériences UA1 et UA2;
1989: Détermination du nombre de familles de neutrinos légers au Grand Collisionneur Electron-Positron (LEP) opérant sur le pic du boson Z;
1995: Première création d’atomes d’antihydrogène dans l’expérience PS210;
1999: Découverte de la violation directe de CP dans l’expérience NA48;
2010: L’isolement de 38 atomes d’antihydrogène;
2011: maintien de l’antihydrogène pendant plus de 15 minutes;
2012: Un boson d’une masse d’environ 125 GeV / c2 compatible avec le boson de Higgs tant recherché.
En septembre 2011, le CERN a attiré l’attention des médias lorsque la collaboration OPERA a signalé la détection de neutrinos possiblement plus rapides que la lumière. D’autres tests ont montré que les résultats étaient défectueux en raison d’un câble de synchronisation GPS mal connecté.

Le prix Nobel de physique 1984 a été décerné à Carlo Rubbia et Simon van der Meer pour les développements qui ont abouti à la découverte des bosons W et Z. Le prix Nobel de physique 1992 a été décerné au chercheur du CERN Georges Charpak “pour son invention et le développement de détecteurs de particules, en particulier la chambre proportionnelle multifilaire”. Le prix Nobel de physique 2013 a été décerné à François Englert et Peter Higgs pour la description théorique du mécanisme de Higgs dans l’année qui a suivi la découverte du boson de Higgs par les expériences du CERN.

L’informatique
Le World Wide Web a commencé comme un projet du CERN nommé INQUIRE, initié par Tim Berners-Lee en 1989 et Robert Cailliau en 1990. Berners-Lee et Cailliau ont été conjointement honorés par l’Association for Computing Machinery en 1995 pour leurs contributions au développement du Internet.

Basé sur le concept d’hypertexte, le projet visait à faciliter le partage d’informations entre chercheurs. Le premier site Web a été activé en 1991. Le 30 avril 1993, le CERN a annoncé que le World Wide Web serait gratuit pour tous. Une copie de la première page Web originale, créée par Berners-Lee, est toujours publiée sur le site Web du World Wide Web Consortium en tant que document historique.

Avant le développement du Web, le CERN avait été le pionnier de l’introduction de la technologie Internet, à partir du début des années 80.

Plus récemment, le CERN est devenu une installation pour le développement de l’informatique en grille, hébergeant des projets tels que les grilles habilitantes pour la science électronique (EGEE) et la grille de calcul du LHC. Il héberge également le CERN Internet Exchange Point (CIXP), l’un des deux principaux points d’échange Internet en Suisse.

Accélérateurs de particules

Complexe actuel
Le CERN exploite un réseau de six accélérateurs et d’un décélérateur. Chaque machine de la chaîne augmente l’énergie des faisceaux de particules avant de les livrer à des expériences ou à l’accélérateur suivant plus puissant. Actuellement (à partir de 2019) les machines actives sont:

L’accélérateur linéaire LINAC 3 générant des particules de faible énergie. Il fournit des ions lourds à 4,2 MeV / u pour injection dans l’anneau ionique à faible énergie (LEIR).
Le Proton Synchrotron Booster augmente l’énergie des particules générées par l’accélérateur linéaire de protons avant qu’elles ne soient transférées vers les autres accélérateurs.
L’anneau ionique à basse énergie (LEIR) accélère les ions de l’accélérateur linéaire ionique LINAC 3, avant de les transférer vers le synchrotron à protons (PS). Cet accélérateur a été mis en service en 2005, après avoir été reconfiguré à partir du précédent anneau d’antiprotons basse énergie (LEAR).
Le synchrotron à protons de 28 GeV (PS), construit entre 1954 et 1959 et fonctionnant toujours comme une source d’alimentation vers le SPS plus puissant.
Le Super Proton Synchrotron (SPS), un accélérateur circulaire d’un diamètre de 2 kilomètres construit dans un tunnel, qui a commencé à fonctionner en 1976. Il a été conçu pour fournir une énergie de 300 GeV et a été progressivement porté à 450 GeV. En plus d’avoir ses propres lignes de lumière pour les expériences à cible fixe (actuellement COMPASS et NA62), il a été exploité comme un collisionneur proton-antiproton (le collisionneur SppS), et pour accélérer les électrons et positons de haute énergie qui ont été injectés dans le grand électron –Collisionneur de positrons (LEP). Depuis 2008, il est utilisé pour injecter des protons et des ions lourds dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC).
Le séparateur de masse isotopique en ligne (ISOLDE), utilisé pour étudier les noyaux instables. Les ions radioactifs sont produits par l’impact de protons à une énergie de 1,0 à 1,4 GeV par le proton synchrotron propulseur. Il a été mis en service pour la première fois en 1967 et a été reconstruit avec des améliorations majeures en 1974 et 1992.
Le décélérateur d’antiprotons (AD), qui réduit la vitesse des antiprotons à environ 10% de la vitesse de la lumière pour la recherche d’antimatière.
L’expérience AWAKE, qui est un accélérateur de champ de sillage plasma de preuve de principe.
L’accélérateur linéaire d’électrons pour la recherche (CLEAR) du CERN, centre de recherche et de développement sur les accélérateurs.

Grand collisionneur de hadrons
De nombreuses activités au CERN concernent actuellement l’exploitation du grand collisionneur de hadrons (LHC) et les expériences associées. Le LHC représente un projet mondial de coopération scientifique à grande échelle.

Le tunnel du LHC est situé à 100 mètres sous terre, dans la région située entre l’aéroport international de Genève et les montagnes voisines du Jura. La majorité de sa longueur se trouve du côté français de la frontière. Il utilise le tunnel circulaire de 27 km de circonférence précédemment occupé par le grand collisionneur électron-positon (LEP), qui a été fermé en novembre 2000. Les complexes accélérateurs PS / SPS existants du CERN sont utilisés pour pré-accélérer les protons et les ions plomb qui sont ensuite injectés dans le LHC.

Huit expériences (CMS, ATLAS, LHCb, MoEDAL, TOTEM, LHCf, FASER et ALICE) sont localisées le long du collisionneur; chacun d’eux étudie les collisions de particules sous un aspect différent et avec des technologies différentes. La construction de ces expériences a nécessité un effort technique extraordinaire. Par exemple, une grue spéciale a été louée à la Belgique pour abaisser des pièces du détecteur CMS dans sa caverne, puisque chaque pièce pesait près de 2000 tonnes. Le premier des quelque 5000 aimants nécessaires à la construction a été abaissé dans un puits spécial à 13h00 GMT le 7 mars 2005.

Le LHC a commencé à générer de grandes quantités de données, que le CERN transmet aux laboratoires du monde entier pour un traitement distribué (en utilisant une infrastructure de grille spécialisée, la Grille de calcul du LHC). En avril 2005, un essai a permis de diffuser avec succès 600 Mo / s sur sept sites différents à travers le monde.

Les premiers faisceaux de particules ont été injectés dans le LHC en août 2008. Le premier faisceau a circulé dans tout le LHC le 10 septembre 2008, mais le système est tombé en panne 10 jours plus tard en raison d’une connexion défectueuse de l’aimant, et il a été arrêté pour réparation le 19 septembre 2008 .

Le LHC a repris ses activités le 20 novembre 2009 en faisant circuler avec succès deux faisceaux, chacun d’une énergie de 3,5 téraélectronvolts (TeV). Le défi pour les ingénieurs était alors d’essayer d’aligner les deux faisceaux pour qu’ils se brisent l’un dans l’autre. C’est comme «tirer deux aiguilles à travers l’Atlantique et les amener à se frapper», selon Steve Myers, directeur des accélérateurs et de la technologie.

Le 30 mars 2010, le LHC a heurté avec succès deux faisceaux de protons avec 3,5 TeV d’énergie par proton, ce qui a entraîné une énergie de collision de 7 TeV. Cependant, ce n’était que le début de ce qui était nécessaire pour la découverte attendue du boson de Higgs. À la fin de la période expérimentale de 7 TeV, le LHC est passé à 8 TeV (4 TeV par proton) à partir de mars 2012, et a rapidement commencé des collisions de particules à cette énergie. En juillet 2012, des scientifiques du CERN ont annoncé la découverte d’une nouvelle particule subatomique qui a ensuite été confirmée comme étant le boson de Higgs. En mars 2013, le CERN a annoncé que les mesures effectuées sur la particule nouvellement trouvée lui permettaient de conclure qu’il s’agissait d’un boson de Higgs. Début 2013, le LHC a été désactivé pour une période de maintenance de deux ans, afin de renforcer les connexions électriques entre les aimants à l’intérieur de l’accélérateur et pour d’autres mises à niveau.

Le 5 avril 2015, après deux ans de maintenance et de consolidation, le LHC a redémarré pour une seconde phase. La première rampe à l’énergie record de 6,5 TeV a été réalisée le 10 avril 2015. En 2016, le taux de collision de conception a été dépassé pour la première fois. Une deuxième période d’arrêt de deux ans a débuté fin 2018.

Accélérateurs en construction
Depuis octobre 2019, la construction est en cours pour améliorer la luminosité du LHC dans le cadre d’un projet appelé LHC à haute luminosité (HL-LHC). Ce projet devrait voir l’accélérateur du LHC amélioré d’ici 2026 à une luminosité d’un ordre de grandeur plus élevée.

Dans le cadre du projet de mise à niveau du HL-LHC, d’autres accélérateurs du CERN et leurs sous-systèmes font également l’objet de mises à niveau. Entre autres travaux, l’injecteur d’accélérateur linéaire LINAC 2 a été mis hors service, pour être remplacé par un nouvel accélérateur d’injecteur, le LINAC 4 en 2020.

Accélérateurs hors service
L’accélérateur linéaire original LINAC 1. Exploité 1959–1992.
L’injecteur accélérateur linéaire LINAC 2. Protons accélérés à 50 MeV pour injection dans le Proton Synchrotron Booster (PSB). Exploité de 1978 à 2018.
Le synchro-cyclotron (SC) de 600 MeV, qui a commencé à fonctionner en 1957 et a été fermé en 1991. Il a été transformé en exposition publique en 2012-2013.
Les anneaux de stockage à intersections (ISR), un des premiers collisionneurs construit de 1966 à 1971 et exploité jusqu’en 1984.
Le grand collisionneur électron-positon (LEP), qui a fonctionné de 1989 à 2000 et était la plus grande machine du genre, logé dans un tunnel circulaire de 27 km de long qui abrite maintenant le grand collisionneur de hadrons.
Le complexe d’accélérateurs LEP Pre-Injector (LPI), composé de deux accélérateurs, d’un accélérateur linéaire appelé LEP Injector Linac (LIL; lui-même composé de deux accélérateurs linéaires dos à dos appelés LIL V et LIL W) et d’un accélérateur circulaire appelé Electron Accumulateur de positrons (EPA). Le but de ces accélérateurs était d’injecter des faisceaux de positons et d’électrons dans le complexe d’accélérateurs du CERN (plus précisément au synchrotron à protons), pour être livrés au LEP après de nombreuses étapes d’accélération. Opérationnel 1987-2001; après l’arrêt du LEP et l’achèvement des expériences directement alimentées par le LPI, l’installation LPI a été adaptée pour être utilisée pour l’installation de test CLIC 3 (CTF3).
L’anneau antiproton à basse énergie (LEAR), mis en service en 1982, qui a assemblé les premiers morceaux de véritable antimatière, en 1995, composé de neuf atomes d’antihydrogène. Il a été fermé en 1996 et remplacé par le décélérateur d’antiprotons. L’appareil LEAR lui-même a été reconfiguré en un amplificateur d’ions à anneau ionique à faible énergie (LEIR).
Le Compact Linear Collider Test Facility 3 (CTF3), qui a étudié la faisabilité du futur projet de collisionneur linéaire conducteur normal (le collisionneur CLIC). En service 2001–2016. L’une de ses lignes de lumière a été convertie, à partir de 2017, en la nouvelle installation d’accélérateur linéaire d’électrons pour la recherche (CLEAR) du CERN.

Futurs accélérateurs possibles
Le CERN, en collaboration avec des groupes du monde entier, étudie deux concepts principaux pour les futurs accélérateurs: un collisionneur linéaire électron-positon avec un nouveau concept d’accélération pour augmenter l’énergie (CLIC) et une version plus grande du LHC, un projet actuellement appelé Future Circular Collider .

Installations
Le CERN n’utilise pas un seul accélérateur de particules pour étudier la structure de la matière, mais toute une chaîne d’autres machines (parfois appelées injecteurs). Les particules qui les traversent successivement sont progressivement accélérées, donnant ainsi de plus en plus d’énergie aux particules. Ce complexe comprend actuellement plusieurs accélérateurs linéaires et circulaires.

Les bâtiments qui composent le complexe scientifique sont numérotés sans aucune logique apparente. Par exemple, le bâtiment 73 est coincé entre les bâtiments 238 et 119. La pluralité des langues et nationalités (plus de 80) au sein du CERN a en partie inspiré Cédric Klapisch dans la réalisation du film L’Auberge Espagnol.

Chaîne d’accélérateurs de particules autour du LHC
L’installation la plus puissante du CERN est le Grand collisionneur de hadrons (LHC), mis en service le 10 septembre 2008 (initialement prévu en novembre 2007). Le LHC est à la toute fin de la chaîne des accélérateurs. Dans le cas d’une accélération des protons, ils empruntent le chemin suivant:

Tout commence par une source de protons appelée «duoplasmatron». Cette machine, de la taille d’une boîte de conserve, utilise l’hydrogène pour produire des protons d’une énergie initiale de 100 k eV (le noyau de l’hydrogène ordinaire est constitué d’un seul proton). Ce gaz, provenant d’une bouteille, est injecté à une vitesse contrôlée dans la chambre source, où il est ionisé pour extraire l’électron unique de chaque atome. Les protons résultants sont ensuite éjectés par un champ électrique vers l’étape suivante.

Accélérateur linéaire de protons Linac-2, mis en service en 1978. Constituant (avec la source de protons) le premier maillon de la chaîne, c’est l’installation la plus utilisée au CERN; son taux de disponibilité est de 98 à 99% et son arrêt est prévu vers 2017 où il sera ensuite remplacé par du Linac-4. Le Linac-2 accélère les protons à un tiers de la vitesse de la lumière, ce qui se traduit par une énergie de 50 MeV par particule.

A la sortie du Linac-2, les protons sont injectés dans le PS-Booster. Il s’agit d’un petit synchrotron d’une circonférence de 157 m et qui porte l’énergie à 1,4 GeV par proton, ce qui correspond à 91,6% de la vitesse de la lumière. Les protons sont ensuite injectés dans le PS.

Le PS ou Synchrotron à Protons, d’une circonférence de 628 mètres, et équipé de 277 électroaimants dont 100 dipôles qui permettent de plier le faisceau de particules. C’est l’un des équipements les plus anciens du CERN, car il a été mis en service en novembre 1959, mais il a subi de multiples modifications depuis. Cette machine est actuellement utilisée pour accélérer les protons mais aussi les ions. Au cours de sa carrière, il a également agi comme un accélérateur d’antiprotons, d’électrons et de positrons (antiélectrons). Il augmente l’énergie des protons jusqu’à 25 GeV, les accélérant à 99,9% de la vitesse de la lumière. A partir de cette étape, l’augmentation de la vitesse n’est plus significative car on approche celle de la lumière qui constitue, selon la théorie de la relativité, une limite insurmontable. L’augmentation de l’énergie des particules est désormais principalement le résultat d’une augmentation de leur masse.

Le Super Synchrotron à Protons (SPS), d’une circonférence de 7 km, équipé de 1317 électroaimants dont 744 dipôles. Il propulse les protons à 450 GeV. Il a été mis en service en 1976 en tant qu’accélérateur simple, converti en collisionneur proton-antiproton en 1983, avant de devenir une nouvelle chaîne d’injecteurs de 1989 au LEP, puis pour son remplaçant, le LHC. Comme le PS, le SPS a accéléré diverses particules au cours de sa carrière (protons, antiprotons, ions plus ou moins massifs, électrons, positrons). Depuis le lancement du LHC, le SPS ne fonctionne qu’avec des ions protonseurs.

Et enfin le LHC ou Large Hadron Collider (Large Hadron Collider, en français), d’une circonférence de 26,659 km, utilisant des supraconducteurs, et où les protons peuvent atteindre 7 TeV (soit un niveau d’énergie par particule 70 millions de fois supérieur à celui produit par le source duoplasmatron).

Dans le cadre de l’expérience ALICE, le LHC accélère également les ions plomb, et pour ces derniers le parcours est légèrement différent: produits par une «source ECR» à partir de plomb vaporisé puis ionisé, les ions plomb subissent leur première accélération dans le linéaire Linac-3 accélérateur, puis ils passent à travers le LEIR (Low Energy Ion Ring). Ce n’est qu’alors que les ions suivent le même chemin que les protons, via le PS, le SPS et le LHC (la source ECR, Linac-3 et LEIR remplacent donc respectivement le duoplasmatron, Linac-2 et «Booster»). Au fur et à mesure de leur accélération, ces ions sont dépouillés de leurs électrons en plusieurs étapes, jusqu’à ce qu’il ne reste plus que des noyaux atomiques «nus» pouvant atteindre une énergie de 574 TeV chacun (soit 2, 76 TeV par nucléon).

Chaque installation du CERN possède une ou plusieurs salles expérimentales, disponibles pour des expériences. C’est ainsi que les protons accélérés du Booster, du PS et du SPS peuvent être dirigés soit vers l’accélérateur suivant de la chaîne, soit vers des zones expérimentales, le plus souvent avec une cible fixe (collision entre les faisceaux et une cible afin de produire de nouvelles particules).

Autres installations et expériences au CERN
Bien que le LHC soit actuellement l’installation la plus grande et la plus médiatisée, d’autres équipements et travaux de recherche sont présents au CERN.

AD, le décélérateur d’antiprotons
Le décélérateur d’antiprotons (en) est un dispositif destiné à produire des antiprotons à faible énergie. En effet, lors de leur création (par impact de protons, venant du PS, sur une cible métallique) les antiprotons ont généralement une vitesse trop élevée pour pouvoir être exploités lors de certaines expériences, et de plus leurs trajectoires et leurs énergies sont disparates. Le décélérateur d’antiprotons a été conçu pour récupérer, contrôler et finalement ralentir ces particules à environ 10% de la vitesse de la lumière. Pour cela, il utilise des électroaimants et des champs électriques puissants. Une fois «apprivoisés», ces antiprotons peuvent être utilisés dans d’autres expériences:

ACE (Antiproton Cell Experiment): une expérience qui étudie l’efficacité des antiprotons pour lutter contre le cancer, en injectant un faisceau de ces particules dans des cellules vivantes in vitro. L’énergie libérée, par l’annihilation entre les antiprotons injectés et les protons des noyaux atomiques, détruira alors les cellules. Le but est de pouvoir détruire les tumeurs cancéreuses en y projetant des antiprotons, une méthode qui serait plus avantageuse que les autres thérapies par faisceau de particules car elle est moins dommageable pour les tissus sains. Les premiers résultats sont prometteurs, mais les applications médicales ne sont pas attendues avant une dizaine d’années.

ALPHA et ATRAP: le but de ces expériences est d’étudier les différences de propriétés entre la matière et l’antimatière. Pour ce faire, des atomes d’antihydrogène (composés d’un antiproton et d’un positron) sont créés et leurs caractéristiques sont ensuite comparées à celles des atomes d’hydrogène ordinaires.

ASACUSA: Cette expérience a le même objectif que les deux précédentes, mais avec une méthode différente. Plutôt que d’utiliser des atomes d’antihydrogène, les physiciens d’ASACUSA vont produire des configurations beaucoup plus exotiques, comme l’hélium antiprotonique, c’est-à-dire des atomes d’hélium dont l’un des électrons a été remplacé. par un antiproton! (rappel: l’antiproton a une charge électrique négative, comme l’électron). L’avantage de ces configurations est qu’elles sont plus faciles à réaliser et ont une durée de vie plus longue que l’antihydrogène.

AEgIS: une expérience dont le principal objectif est de vérifier si les effets de la gravité sur l’antimatière sont identiques (ou non) à ceux exercés sur la matière. Plusieurs hypothèses sont envisagées, y compris la possibilité que pour l’antimatière l’effet de la gravité soit inversé.

JETER
Télescope C ERN A ction S olar T (Télescope pour axions solaires CERN). Un instrument pour détecter les axes hypothétiques du soleil.

Les axions sont des particules que l’on soupçonne de faire partie de la matière noire, et qui expliqueraient également l’origine des petites différences observées entre la matière et l’antimatière, d’où l’intérêt de rechercher leur existence. Le principe de fonctionnement du CAST est de positionner un champ magnétique puissant sur le trajet de ces particules, au sein de tubes à vide correctement orientés, ce qui devrait avoir pour effet de les transformer en rayons X lorsqu’ils le traversent. C’est ce rayonnement X, plus facilement détectable que les axions eux-mêmes, qui est destiné à être enregistré. Si les axions existent, il est probable qu’ils soient présents au centre de notre étoile, c’est pour cette raison que CAST est un télescope qui est pointé en direction du Soleil grâce à une plateforme mobile.

A noter que cette expérience réutilise un certain nombre de composants déjà existants: un prototype d’aimant dipôle supraconducteur qui a été utilisé pour la conception du LHC, un dispositif de refroidissement cryogénique qui a été utilisé pour l’expérience DELPHI du grand collisionneur électron-positon (LEP ) et un système de focalisation à rayons X issu d’un programme spatial. Combinant des techniques d’astronomie et de physique des particules, CAST est aussi la seule expérience à ne pas utiliser un faisceau produit par des accélérateurs, mais il bénéficie néanmoins des compétences acquises par le CERN.

NUAGE
C osmique L eaving OU D roplets extérieurs (rayons cosmiques produisant des gouttelettes externes)

CLOUD (en) est prévu pour qu’exerceraient enquêter sur une éventuelle influence des rayons cosmiques sur la formation des nuages. En effet, ces particules chargées en provenance de l’espace pourraient produire de nouveaux aérosols affectant l’épaisseur de la couverture nuageuse. Les mesures satellitaires permettent de suspecter une corrélation entre l’épaisseur des nuages ​​et l’intensité des rayons cosmiques. Cependant, des variations de quelques pour cent de la couverture nuageuse peuvent avoir une influence certaine sur le climat et l’équilibre thermique de notre planète.

CLOUD, toujours en phase préparatoire avec un prototype de détecteur, sera constitué d’une chambre à brouillard et d’une “chambre de réaction” dans laquelle les conditions de pression et de température de n’importe quelle région de l’atmosphère pourront être reconstituées, et qui seront soumises à un flux de particules produit par le PS simulant les rayons cosmiques. Plusieurs appareils surveilleront et analyseront le contenu de ces chambres. C’est la première fois qu’un accélérateur de particules est utilisé pour l’étude de l’atmosphère et du climat. Cette expérience pourrait «modifier considérablement notre compréhension des nuages ​​et du climat».

BOUSSOLE
Appareil CO mmon M uon et P roton pour la S tructure et la S pectroscopie

Cette expérience polyvalente consiste à explorer la structure des hadrons (dont le proton et le neutron, constituants de la matière dont nous sommes constitués), et donc les liens entre les gluons et les quarks qui les composent, font partie. Pour cela, il utilise des protons accélérés par le SPS. Les différents objectifs sont entre autres:

étudier l’origine du spin du nucléon, en particulier le rôle joué par les gluons. Pour ce faire, des muons sont créés (particules instables, comparables à l’électron mais plus massives) qui sont projetés sur une «cible polarisée»;

détection de billes de colle, particules hypothétiques constituées uniquement de gluons;

détermination de la hiérarchie des différents types de hadrons, par création puis utilisation d’un faisceau de pions.

CTF3
C LIC T est F acility 3. Un site d’essai où le CERN prépare déjà après le LHC, dans le cadre du projet de collisionneur linéaire compact (CLIC).

L’objectif est de développer un accélérateur de nouvelle génération, le CLIC, qui permettra d’approfondir les découvertes faites par le LHC, mais pour un coût et des dimensions d’installation qui resteraient relativement raisonnables. L’objectif est d’atteindre une énergie comparable à celle obtenue au LHC, mais cette fois avec des collisions électron / positon (au lieu de collisions protons / protons), ce qui ouvrira de nouvelles perspectives.

Le principe de fonctionnement du futur CLIC repose sur un système à deux faisceaux, qui devrait permettre de produire des champs d’accélération plus élevés que les accélérateurs précédents, c’est-à-dire de l’ordre de 100 à 150 MV / m. Le faisceau principal sera accéléré par une puissance radiofréquence, qui sera produite par un faisceau parallèle d’électrons à plus faible énergie mais à haute intensité. C’est la décélération de ce “faisceau d’entraînement” qui fournira l’énergie utilisée pour l’accélération du faisceau principal. On pourrait comparer ce principe à celui d’un transformateur électrique qui produirait un courant électrique haute tension à partir d’un courant de tension plus faible, mais au prix d’une baisse d’intensité.

DIRAC
DI meson R elativistic A tomic C omplex (Relativistic atomic complex of di-mésons). Cette expérience vise à mieux comprendre la longue interaction qui lie les squarks ensemble, constituant ainsi des hadrons. Plus précisément, il s’agit de tester le comportement de cette force sur de «grandes» distances et à basse énergie.

Pour cela, DIRAC étudie la désintégration des atomes pioniques (ou pioniums, c’est-à-dire des assemblages instables de pions positifs et négatifs), ou des “” atomes (constitués chacun d’un pion et d’un kaon de charges opposées, également instables) . La durée de vie de ces assemblages exotiques, réalisés grâce au faisceau de protons du PS, est “mesurée à un niveau de précision jamais atteint auparavant”.

ISOLDE
Séparateur d’isotope sur le sélecteur d’isotope (le séparateur d’isotope en ligne (in))

Appelée “usine alchimique”, ISOLDE est une installation qui permet la production et l’étude d’un grand nombre d’isotopes instables, dont certains ont une demi-vie de quelques millisecondes seulement. Ces isotopes sont produits par impact de protons, provenant de l’injecteur PS, sur des cibles de compositions diverses (de l’hélium au radium). Ils sont séparés en masse, puis accélérés pour pouvoir ensuite être étudiés. Beaucoup de ces expériences utilisent un détecteur de rayons gamma appelé «Miniball».

ISOLDE cherche donc à explorer la structure du noyau atomique essentiellement, mais a également d’autres objectifs en biologie, astrophysique et autres domaines de la physique (atomique, état solide, physique fondamentale).

Une équipe ISOLDE a observé un effet thermique anormal (AHE) lors d’une expérience d’électrolyse avec une électrode au palladium, connue depuis 1989, et l’expose lors d’un séminaire.

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«L’usine de neutrons». Utilisant des protons du PS, cet équipement est destiné à produire des neutrons avec des flux de haute intensité et une large gamme d’énergies. L’installation dite «temps de vol neutronique» permet une étude précise des processus dans lesquels ces particules sont impliquées. Les résultats obtenus intéressent différents projets de recherche où les flux neutroniques jouent un rôle: l’astrophysique nucléaire (en particulier concernant l’évolution stellaire et les supernovas); destruction des déchets radioactifs; ou le traitement des tumeurs par faisceaux de particules.

Accélérateurs démontés
Depuis son inauguration, le CERN a utilisé plusieurs accélérateurs, dont certains ont été démantelés pour en accueillir d’autres plus efficaces ou mieux adaptés à la recherche actuelle. Ces accélérateurs sont:

Linac1, premier accélérateur linéaire du CERN, mis en service en 1959 et remplacé par Linac3 en 1993;

un synchrocyclotron (SC) de 600 MeV, qui était en service de 1957 à 1991. Il avait un électro-aimant composé de deux bobines de 7,2 mètres de diamètre et pesant 60 tonnes chacune;

CESAR, un «anneau de stockage et d’accumulation d’électrons», achevé en 1963 et démantelé en 1968. La mise en service du CESAR a été difficile, mais elle a permis d’acquérir un savoir-faire utile pour le développement des futurs collisionneurs du CERN;

les anneaux de stockage à intersections (ISR), construits de 1966 à 1971 et en service jusqu’en 1984. Ils furent le tout premier collisionneur de protons, qui fut aussi le premier accélérateur de particules à utiliser des aimants supraconducteurs (à partir de novembre 1980), puis le premier à produire des collisions entre protons et antiprotons (en avril 1981);

le Large Electron Positron (LEP), en service de 1989 à 2000 pour être remplacé par le LHC. Le LEP était en son temps le plus grand accélérateur du CERN, faisant entrer en collision des électrons et des positrons;

l’anneau antiproton de basse énergie (LEAR), mis en service en 1982, qui a permis d’assembler les premiers atomes d’antimatière en 1995. Il a été arrêté en 1996 pour être transformé en un LEIR (anneau d’ion de basse énergie) destiné à alimenter le LHC en ions lourds.

Expériences démantelées

GNC
C ern N eutrinos à G ran S asso (Neutrinos du CERN au Gran Sasso).

Cette installation consiste à produire un faisceau de neutrinos qui est dirigé vers un laboratoire situé en Italie et à 732 kilomètres. Pour ce faire, des protons accélérés par le SPS sont envoyés vers une cible graphite. Les collisions qui en résultent produisent des particules instables appelées pions et kaons, qui sont focalisées, par un dispositif magnétique, dans un tunnel sous vide d’un kilomètre de long où elles se désintègrent. Ces désintégrations génèrent à leur tour des muons et surtout des neutrinos. Un bouclier puis la roche au-delà de l’extrémité du tunnel absorbent toutes les particules (muons, pions et kaons non décomposés, ou protons ayant traversé la cible) autres que les neutrinos, qui sont donc les seuls à poursuivre leur route. L’ensemble est orienté de manière à ce que le faisceau de neutrinos résultant soit dirigé vers un laboratoire italien situé dans le Gran Sasso,

Le but de tout cela est d’étudier le phénomène d’oscillation des neutrinos. En effet, il existe trois types (appelés saveurs) de neutrinos, et il est désormais admis que ces particules «oscillent» entre ces trois saveurs, se transformant de l’une à l’autre. autre. Le CNGS permet l’étude de ces oscillations car les neutrinos produits sont exclusivement de saveur muonique, tandis qu’au niveau du Gran Sasso, et après un voyage de 732 km à l’intérieur de la Terre, certains auront été transformés en d’autres. saveurs, qui peuvent être enregistrées. Les premiers faisceaux de neutrinos ont été émis à l’été 2006. Compte tenu de la faible interactivité des neutrinos et de la rareté de leurs oscillations, des années d’expérimentation et de collecte de données seront nécessaires. En mai 2010, a été observé le premier événement correspondant à l’oscillation de l’un des neutrinos produits par le CNGS. Cette installation a été fermée en décembre 2012 après six ans de service. Les tunnels du CERN utilisés pour le CNGS seront désormais utilisés pour accueillir l’expérience AWAKE (Advanced WAKefield Experiment) alimentée en protons par le SPS, elle devrait commencer à fonctionner fin 2016.

La protection de l’environnement au CERN
La surveillance environnementale au CERN est effectuée d’une part par l’unité HSE (Santé & Sécurité et Protection de l’environnement) et d’autre part par deux organismes externes: l’Office fédéral de la santé publique (Suisse) et l’Institut de radioprotection et sûreté nucléaire (France). L’OFSP a lancé un programme de surveillance du point zéro du CERN qui vise à obtenir un point de référence de la situation radiologique autour du CERN avant la mise en service du Grand collisionneur de hadrons.