Aujourd’hui, je vais vous raconter une histoire scientifique pas comme les autres… L’histoire de l’une des plus grandes organisations internationales scientifiques : le CERN.
Qui est le CERN et pourquoi un article dessus ? #
Le CERN (pour Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) est une organisation de recherche internationale orienté dans le domaine de la physique nucléaire ou dit physique des particules. Connu à l’internationale, cette dernière a fait de nombreuse découverte comme le boson de Higgs que j’en parlerai dans cet article.
Ayant une grande chance de travailler dans le domaine de l’informatique et de la recherche, j’ai eu l’immense privilège de visiter l’un des sites les plus spectaculaires d’Europe, celui de l’expérience CMS du CERN :
C’est en voyant cet oeuvre d’art pesant plus de 14 000 tonnes pour 21 mètres de long, 15 mètres de diamètre et 15 mètres de haut, que je suis resté époustouflé devant ce mastodonte. Construite de toute main par hommes et femmes, qui à lui seul, nous a aidé à percer les inconnus de notre univers. C’est après cette visite, qu’il était pour moi impensable de ne pas rédiger un article sur l’histoire et les découvertes faites par le CERN.
Si cette introduction a attiré votre curiosité, restez donc avec moi afin de retracer les 70 ans de cet organisation internationales. Vous verrez, vous allez être aussi étonné que moi sur le fait que le CERN n’a pas fait que des découvertes et des inventions dans le domaine de la physique nucléaire !
Les grands débuts du CERN #
Afin de faire un contenu agréable à lire sans trop avoir des nœuds dans le cerveau, j’ai volontairement simplifié certains passages de l’histoire du CERN, tout en essayent de ne pas altérer son histoire. Pour plus de détails, je vous invite à vous rendre sur le site du CERN : https://home.web.cern.ch/fr/about/who-we-are/our-history
L’histoire du CERN #
timeline title Le début du CERN 1/2 1949 : Début du mouvement scientifique européen à la création d'un laboratoire des physiques atomiques. 1952 : Naissance du CERN et la ville de Génève est choisit pour la construction du laboratoire. 1953 : La convention pour l'établissement d'une organisation européenne sur la recherche nucléaire est signée.
timeline title Le début du CERN 2/2 1957 : Construction du premier accélérateur de particule. 1959 : Mise en marche de Proton Synchrotron. 1965 : Première observation d'un antinuclei (antimatière). 1968 : Georges Charpak révolutionne la détection. 1971 : Première collision de proton.
Les dates clef des expériences du CERN #
Voici, ci-dessous les plus grandes dates à retenir sur les inventions et découvertes du CERN :
timeline title Les grandes dates du CERN 1/2 1976 : Mise en marche du premier accélerateur de Super Proton Synchrotron. Il fait 7 kilomètres de Circonférence. 1981 : Première colision de proton-antiproton. 1983 : Découverte des particules W and Z. 1989 : Mise en marche collisionneurs d'ions lourds : il fait 21km de circonférence. 1990 : Création du Web!
timeline title Les grandes dates du CERN 2/2 1995 : Création de la première anti-matière, l'antihydrogène. 2006 : Mise en fonction de l'expérience ATLAS. 2008 : Mise en fonction du LHC (27km de circonférence) et de l'expérience CM. 2009 : Mise en fonction de l'expérience ALICE. 2012 : Découverte du Boson de Higgs.
Passons ensuite à l’explication des plus grandes inventions faire par le CERN !
Les grandes inventions du CERN #
🌐 - L’invention du Web #
Au delà de la physique nucléaire, le CERN est connu (plutôt méconnue à vrai dire) sur la naissance du Web. C’est au CERN, en 1989, que le chercheur Britannique Tim Berners-Lee, créa le “World Wide Web” connu sous l’acronyme “WWW”.
Tims Berners-Lee présentant son invention, le World Wide Web. Source : CERN
Cette invention avait pour but d’aider les scientifiques à partager les informations afin qu’elles soient consultées à travers les universités et les instituts du monde entier de manière instantanées.
Premier serveur Web au monde. Photo prise au CERN Science Gateway.
En 1992, une conférence a été organisé par le CERN et CNRS à Annecy afin de présenter la nouvelle invention de Tim Berners-Lee. Deux ingénieurs chercheurs et physiciens de l’IN2P3, Wojciech Wojcik et Daniel Charnay, ont pris l’initiative de créer à leurs tours, le premier serveur et page web français.
Ce serveur prendra comme adresse http://info.in2p3.fr.
🌟⚡ - L’invention du LHC et de ses capteurs #
Le LHC (pour Large Hadron Collider et en français Le grand Collisionneur de Hadron), est une accélérateur de particule, mis en service en 2010 afin de pouvoir faire de nouveaux tests sur la physique des particules.
Photographie d’une partie du LHC provenant du CERN :
Photographie d’Anna Pantelia, prise le 27 Janvier 2014.
Ce long tube parcourant un total 27km de long permet de relier les 4 expériences du CERN:
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ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
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ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
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CMS (Compact Muon Solenoid = solénoïde compact à muons)
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LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment)
Ces 4 expériences permettent ainsi de détecter certains effets spécifique dû à la collision des particules émis par le LHC. Durant ma visite au CERN, une affiche m’a interpellé présentant le fonctionnement du LHC:
Image prise durant ma visite décrivant le fonctionnement de l’accélération des particules du CERN.
En reprenant les informations du tableau ci-dessus, j’ai décidé de faire un schéma afin de simplifier la compréhension de ce long circuit circulaire effectué par les protons permettant de tester les collisions de protons :
Plus de chiffres ! Le LHC c’est : 100 milliards de protons qui s’entrechoc contre 100 autres milliards de protons toutes les 25 Nanosecondes (ou 25 millions de fois par secondes). Ce qui donne 4 000 000 000 000 000 000 (quatre mille milliards) de croisements de proton par seconde pour 600 millions de collision par seconde. Toutes ces collisions permettent ainsi capter au maximum 1 seul Boson de Higgs. Toutes ces informations proviennent du CERN et de cette superbe vidéo “À la poursuite du Boson de Higgs”.
Petit rappel de ce qu’est un proton. Le corps Humain est constitué d’atomes, ces atomes sont de différentes sortes, mais ce qui faut en retirer : c’est que l’atome est lui même de constitué de protons, de neutrons et d’électrons :
Schéma d’un atome de lithium, inspiré du modèle de Rutherford.
Et un proton, est lui même constitué de : 2 Quark up et d'1 Quark Down qui sont relié par une interaction forte transmise par des Gluons représenté par des éclairs en jaune :
Schéma inspiré de Wikipédia sur la constitution d’un Proton.
On pourrait se perdre dans les familles subatomiques, mais j’ai voulu faire un apparté pour bien comprendre de ce que le CERN veut découvrir.
Le CERN effectue de nombreuses expériences entraînant des protons afin de créer une collision permettant ainsi de simuler la création de l’univers permettant ainsi de mieux comprendre le pourquoi du comment notre univers s’est formé.
Et avec tout ces moyens, on a voulu découvrir si il existait bel et bien un boson, et c’est celui de Higgs que l’on cherchait. En 2012, le boson de Higgs a été découvert par nos deux chercheurs Peter Higgs, scientifique britannique et François Englert, scientifique Belge.
Mais, qu’est-ce que le Boson de Higgs ?
Le Boson de Higgs #
Le Boson de Higgs, appelé auparavant la particule de Dieux, est la clef essentielle sur la compréhension des constituants élémentaires tout l’univers.
Pour résumer, les constituants élémentaires est un tableau répertoriant l’ensemble des particules élémentaires qui existent dans notre univers (ce que l’on a découvert jusqu’à aujourd’hui) s’appuyant sur le modèle standard :
Tableau des particules élémentaires, selon le modèle standard. Le modèle standard est une théorie concernant les interactions nucléaires faible et forte, ainsi que l’électromagnétisme et enfin la classification de toutes les particules subatomiques.
Pour plus d’information, je vous conseille la vidéo de J’ménerve pas, j’explique expliquant bien plus en détails sur ce modèle.
En 1964, plusieurs physiciens dont Peter Higgs, scientifique britannique (et François Englert) énonce l’hypothèse de l’existence d’une particule capable de donner une masse à toutes les particules élémentaires. Mais ils ont d’abord démontré l’apparition d’un champ présent dans tout l’univers qui permettrait d’acquérir à une particule, une masse lorsqu’elle rentrerai en interaction avec ce champ.
Donc plus la particule est en interaction avec ce champ, plus elle sera forte. Ce champ est le champ de Higgs.
Et la plus petite mesure indivisible de ce champ se nomme : Le Boson de Higgs
Pour une explication plus détaillé sur ce boson, vous avez la vidéo de Antoine vs Physique et aussi de J’ménerve pas, j’explique qui m’ont aidé grandement à la compréhension de celui-ci.
La théorie que l’existence du Boson de Higgs a pu être approuvé le 4 juillet 2012, grâce à l’accélérateur LHC et des expériences ATLAS et CMS, lorsque nos deux chercheurs Peter Higgs et François Englert ont pu détecter la formation d’un boson de Higgs dans un domaine masse de l’ordre de 125–126 GeV c−2 (GeV = [GigaélectronVolt](# Électronvolt)).
Passons ensuite sur les expériences qui ont permis de trouver le Boson de Higgs (et les autre expériences majeurs du LHC).
L’expérience ATLAS #
ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), en bon français pour “dispositif instrumental toroïdal pour le LHC” :
Une partie du détecteur ATLAS. Source : https://atlas.cern/
ATLAS est bel et bien un dispositif Toroïdal car il a la forme d’un Tore, qui est la forme probable de notre univers :
Image d’un tore : Wikipédia
D’où la forme d’un Tore pour le projet ATLAS :
Image de l’expérience ATLAS prise au CERN, par Maximilien Brice.
ATLAS est tout aussi un mastodonte :
- 22 mètres de diamètre
- 40 mètres de longueur
- Pour un poids “plume” de 7000 tonnes (Contre 14000 tonnes pour le CMS)
ATLAS a pour tâche comme le CMS de détecter le boson de Higgs et des particules supersymétriques (SUSY). Il est issu d’un projet d’un projet international qui a débuté en 1992, Il a fait l’objet d’essais intensifs et de simulations en novembre 2007. Celui-ci est rentré en fonctionnement en 2009 lorsque les premiers faisceaux ont été injectés dans le LHC en fin 2009. ATLAS c’est donc 5 500 personnes (chercheurs, ingénieurs, techniciens, étudiants, …) issus de 245 instituts, représentant pas moins de 42 pays.
C’est grâce aux expériences ATLAS et CMS que la découverte du Boson Higgs a pu être faite. Voyons plus en détails sur mon expérience préféré, le CMS.
L’expérience CMS #
Le CMS est la deuxième plus grande expérience du CERN.
Après en avoir parlé rapidement dans mon introduction, je vais aller plus en détail sur l’expérience du CMS et du LHC.
Milieu du CMS : On aperçoit au milieu l’aimant solénoïde.
Comme évoqué dans l’introduction de l’article, c’est un détecteur :
- Ayant une forme Cylindrique :
- 21 mètres de long
- 15 mètres de diamètre
- pesant un peu plus de 14 000 tonnes
- Ayant également un aimant solénoïde creux:
- 6 mètres de diamètre
- 13 mètres de long
- Générant un total de 4 Tesla
Découpage du CMS, image provenant du CERN.
Pour la construction et l’exploitation du détecteur CMS , c’est un peu plus de 5500 personnes impliqués de presque 54 nationalités, appartenant à 241 instituts scientifiques.
Comme dit précédemment pour Atlas, le CMS étudie la même physique que ALTAS mais avec d’autres technologies de détection. Les collaborations ATLAS et CMS sont à la fois dans une situation de compétition et de coopération pour les découvertes majeures et les mesures de précision.
Le CMS est un détecteur généraliste, capable d’étudier tous les aspects des collisions de protons et dont le plasma de quarks et de gluons . Ce plasma de quarks et de gluons sont issus des collisions d’ions lourds fournies par le LHC. Le détecteur ALICE est aussi consacrée à cette étude, on en parle dans le prochain point de cet article !
Il est également capable d’explorer la physique à l’échelle du TerraelectronVolt.
Les buts majeurs de l’expérience sont de confirmer et préciser les mesures concernant le Modèle Standard de la Physique, chercher les signes de la physique au-delà du modèle standard comme la supersymétrie.
Allons plus en détails sur la collision d’ion lourds, parlons de l’expérience ALICE !
L’expérience ALICE #
ALICE (A Large Ion Collider Experiment), en français “expérience du grand collisionneur d’ions”.
Source de l’image : https://www.sciencesetavenir.fr/espace/astrophysique/au-cern-l-experience-alice-aide-a-traquer-la-matiere-noire_144690
Le détecteur ALICE en quelques chiffres :
- 16 mètres de haut
- 26 mètres de long
- pour un total de 10 000 tonnes.
Cette expérience, comme pour le CMS, est destinée sur une étude approfondie du plasma des quarks et des gluons que l’on obtient lors d’une collision d’ions lourds. Pour aller un peu plus en détail, ce plasma est un état de la matière qui existe à des températures extrêmes.
Selon les scientifiques, cet état était sans doute présent dans l’univers dans les tous début de l’univers (de l’ordre des quelques microsecondes) après le Big Bang.
ALICE, c’est le fruit d’un travail effectué par 2000 scientifiques de 174 laboratoires de 40 pays.
Passons à la dernière expérience , le LHCb !
L’expérience LHCb #
LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment) pour en français Expérience du LHC sur le quark beauté.
Source de l’image : https://www.nikhef.nl/en/programs/lhcb/
Le LHCb est le détecteur le plus léger de tous :
- 5600 tonnes
- 21 mètres de long
- 13 mètres de large
- Pour 10 mètres de haut
Cette expérience explore un type de particule appelé “Quark de beauté” ou “QuarkB”. Ce type de particule existent dans la matière et l’antimatière.
C’est assez surprenant de parler d’antimatière, mais l’antimatière est l’ensemble d’antiparticules (ce qui est aussi surprenant ! 🤯) qui ont la même masse et le même spin mais des charges, des nombres baryoniques et enfin des nombres leptoniques opposés au particules ordinaires.
Bref cette phrase m’a donné mal à la tête, je traduis : L’antimatière = L’ensemble d’antiparticule qui ont même masse et même spin mais des charges, des nombres baryoniques et enfin des nombres leptoniques opposés au particules ordinaires
- La masse : Ce que l’on connait, son poids
- Spin : En physique quantique c’est une propriété interne au particule au même titre que la masse
- Nombre baryonique : un nombre quantique additif invariant
- nombres leptoniques : un nombre quantique invariant
C’est extrêmement complexe à comprendre, même si honnêtement je ne pense pas pas avoir tout compris, mais je fais cet aparté afin de vous faire comprendre à quel point la connaissance de notre univers est vaste et complexe !
Pour en revenir sur le LHCb, il utilise plusieurs sous-détecteurs qui sont conçus pour observer principalement les particules émises « à petits angles », vers l’avant, dans le sens du faisceau. Qui à contrario d’ATLAS et de CMS qui ont sont des détecteurs fermés au niveau du point de collision. Le premier sous-détecteur est placé à proximité du point de collision ; les autres se suivent sur une longueur de 20 mètres.
Lorsque le LHC est en marche, il émet une grande variété de quarks, qui se désintègrent rapidement en d’autres particules. Pour intercepter nos fameux quarks b (ou quarks de beauté), le LHCb a mis au point des trajectographes mobiles perfectionnés et les a installés au plus près de la trajectoire des faisceaux dans le LHC.
🏁 - Pour conclure #
Et voilà ! Voici la fin de cet article, je me rends compte que la fin de celui-ci était vraiment très complexe mais c’est une volonté de ma part pour se rendre compte de l’ingéniosité de nos chercheurs et de faire comprendre au grands public le génie de ces personnes qui passent leurs vies à comprendre du pourquoi et du comment notre univers s’est formé.
Je ferais sûrement d’autres articles sur d’autres organismes scientifiques qui sont trop méconnues du grands-public.
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