Une nouvelle expérience pour le LHC

Les expériences LHC sont désormais officiellement au nombre de six. Une nouvelle expérience appelée LHCf (petits angles du LHC) a été formellement approuvée en août.

Les expériences menées au LHC sont pour la plupart de très grande dimension, avec des détecteurs énormes et des collaborations comptant jusqu'à 2000 personnes. LHCf, tout comme TOTEM, est différente. Ses détecteurs sont beaucoup plus petits et la collaboration ne compte que 22 personnes. Cette collaboration, regroupant des chercheurs du Japon, d'Italie et des États-Unis sous la direction de Yasushi Muraki, vient de terminer les essais des détecteurs.

L'objet de l'expérience est d'étudier les particules se déplaçant à petit angle à l'issue des collisions proton-proton du LHC. Il s'agit de trancher entre les différents modèles de production de gerbes généralement utilisés pour estimer l'énergie primaire des rayons cosmiques de très haute énergie - de l'ordre de 10¹⁹ eV (10 milliards de milliards d'électrons-volts). Les collisions proton-proton se produisant dans le LHC engendrent des pions, exactement comme dans une gerbe de rayons cosmiques. La quantité de ce type de particules secondaires produites au LHC peut être mesurée de façon précise grâce aux détecteurs de LHCf, car on connaît bien l'énergie et la direction du faisceau primaire. Les données seront ensuite comparées aux modèles utilisés par les spécialistes des rayons cosmiques.

Bien que leur découverte - par le physicien autrichien Victor Hess - remonte à 1912, les rayons cosmiques restent mystérieux. En particulier, les physiciens voudraient mieux comprendre les origines des rayons cosmiques extrêmement énergétiques (atteignant 10²⁰ eV) observés au fil des ans. D'importantes installations, telles que l'Observatoire des rayons cosmiques Pierre-Auger, en Argentine (voir courrier CERN, juillet-août 2006), la Station télescope (Telescope Array) aux États-Unis et l'expérience HESS en Namibie (voir Courrier CERN, février 2005) sont consacrées à cette recherche. L'expérience LHCf recueillera des données utiles aux études qui y seront menées; de nombreux physiciens associés à LHCf participent également à ces expériences et à d'autres projets sur les rayons cosmiques.

Les détecteurs de LHCf seront placés de part et d'autre du point d'interaction d'ATLAS, à une distance de 140 mètres. Grâce à cet emplacement, il sera possible d'observer les particules à un angle de presque 0° par rapport au déplacement du faisceau de protons. Les détecteurs sont constitués de deux calorimètres tours à échantillonnage conçus par Katsuaki Kasahara, de l'Institut de technologie Shibaura. Chaque calorimètre est constitué de plaques de tungstène et de scintillateurs plastiques de 3 millimètres d'épaisseur pour l'échantillonnage.

Beaucoup de physiciens de LHCf s'étaient déjà rencontrés dans le cadre de l'expérience UA7 du SPS, qui s'intéressait aussi à la physique des petits angles. LHCf simulera des collisions de rayons cosmiques à une énergie mille fois supérieure à celle qu'on pouvait obtenir à l'expérience UA7. L'énergie des collisions de protons dans le LHC sera équivalente à ce qui se passe quand un rayon cosmique de 10¹⁷ eV vient percuter l'atmosphère. Ainsi, LHCf utilisera les faisceaux du LHC pour vérifier les modèles d'interaction de rayons cosmiques avec une plus grande précision.

Le saviez-vous?

Les rayons cosmiques sont des particules chargées, qui sont pour la plupart des protons, mais peuvent aussi être des particules alpha (noyau d'hélium) ou des noyaux plus lourds, qui bombardent l'atmosphère terrestre depuis l'espace. Ces noyaux se heurtent aux noyaux de la haute atmosphère, produisant ainsi de nombreuses particules secondaires, qui se heurtent à leur tour aux noyaux de la basse atmosphère. Ce processus continue en cascade, créant une gerbe constituée de milliards de particules qui arrivent jusqu'au sol.

Les rayons cosmiques ont des énergies très variables. Les rayons de faible énergie sont très nombreux (il en arrive chaque seconde plusieurs milliers par m²), et proviennent souvent du Soleil. Les rayons cosmiques les plus énergétiques (jusqu'à 10²⁰ électrons volts) sont très rares: il en arrive un par km² et par siècle! La source des rayons cosmiques de haute énergie reste un mystère, dans la mesure où les rayons primaires semblent venir de toutes les directions.