Compte-rendu
des 2 visites au CERN de Genève
Les
25 septembre 2006 et 23 mars 2007
50 Participants du 25/09/2006 :
accompagnateur : Jacques DEGIEUX :
AEBISCHER MELANIE, ANDRE MARC, BERRAUTE
GILBERTE, BERRAUTE JEAN PIERRE, BOISSIER RENE, BRAUN ANNE MARIE,
BRAUN JEAN CLAUDE, BURTON MICHEL, CAVALIN JOSEPH, CHOPPIN
CLOTILDE, CLEMENT FRANCOIS XAVIER, CREUTZMEYER THIERRY, DAVAL
SANDRINE, DEGIEUX JACQUES, ERNST MICHEL, ESPANET HENRI, FORESTI
PIERRE, GACHON MARC, GIBLET JACQUES, GIBLET LOUISETTE, GIRARD
CLAUDE, GIRARD Mme, HUSSON, JUIF ELISABETH, JUIF GUY, KLINTZING
CHRISTIAN
KLINTZING ELISABETH, LABE THIERRY, LAUMOND
ANNIE, LAUMOND YVES, LEMOINE ALAIN, MARCEL JEAN, MARTIN JEAN
MARIE, MENESTRIER CHARLES, PIOTELAT MICHEL, RESTLE JEAN, RESTLE
MARIE ANNICK, RIDOUX GERARD, RITTER GILBERT, ROUSSEL JEAN LOUIS,
THEMOIN MAURICE, THEMOIN MICHELINE, THOCKLER PIERRE, THOCKLER
COLETTE, VANDAMME ANNE, VERGES PAUL, VERGES SYLVIE, VERLOT
CLAUDE, VOGEL JEAN MARIE, ZACHE ALFRED.
41 Participants du 23/03/2007 :
accompagnateur : Jean-Pierre BULLIARD :
BACHE GISELE, BACHE PAUL, BENCHARAB
CHRISTIAN, BILLIARD JEAN CLAUDE, BILLIARD MICHELLE, BLONDEAU
AGNES, BLONDEAU MICHEL, BONNET PATRICK, BOUILLET ROGER, BOUILLET
SIMONE, BULLIARD GERARD, BULLIARD J PIERRE, CAMUS JACQUES, CLAUDE
ROBERT, DURET JEAN-MICHEL, GENESTIER PHILIPPE, GENESTIER
ROSELYNE, GENEVEY Henriette, GENEVEY RENE, GRIEDLICH
CHRISTIAN, GROSCLAUDE BERNARD, GUILLAUME GERARD, GUITTON
GILLES, HEYER MATHIEU, JANUEL ROBERT, LE MERDY CLAUDE, LECORGNE
PATRICK, LEROY DANIEL, LEROY MARIE France, LEROY MUTIS RACHEL,
LEROY VINCENT, MAIRE FRANCOIS, MAIRE NADINE, MARTINACHE ETIENNE,
MIROUDOT PHILIPPE
MONGIN FRANCINE, MULLER FRANCIS, PARIS
CHRISTIANNE, PARIS JEAN CLAUDE, SCHUTZ ANDREE, SCHUTZ RENE
Seule ombre au tableau : les 13
désistements de dernière minute : seulement une raison
valable sur les 13 : cela montre l’irresponsabilité de
certains (même des ingénieurs), on consomme et l’on zappe,
cela ne fait rien puisqu’on n’a pas payé.
Prix demandé à chaque participant :
20€.
Le cout du voyage à été pris en charge
par l’AIRBM que nous remercions vivement
Transporteur par car : DOUX VOYAGES
– 1, rue de l’Esplanade – BP18 – 25310
BLAMONT – Téléphone : 03 81 35 10 89 – E-Mail :
doux.voyages@wanadoo.fr
– Chauffeurs : Irène (25/09/06) et René (23/03/07).
Prix d’un voyage : 1090 EUROS TTC.
En tant qu’accompagnateur du 2ème
voyage, je me consacrerai à détailler celui-ci, les visites du
site étant identiques. Nous sommes donc partis 41 le vendredi 23
mars 2007 à 7h15, sous une neige battante, devant le parking
UTBM à Belfort. Vers 8h00, nous avons pris les montbéliardais
groupés sur le parking du Darty et vers 9h00, en gare Viotte à
Besançon, l’ultime participant. Notre chauffeur, René, a
fait des prouesses sur la neige pour nous transporter via
Pontarlier et Lausanne jusqu’à Genève à 12h30. Nous avons
trouvé facilement le CERN en suivant les pancartes MEYRIN et,
dans cette localité, nous sommes arrivés au hall
d’accueil, porte 33, puis avons rejoint l’entrée B
puis le Bâtiment 504 (restaurant self-service) où nous
attendait un bon repas.
A 14h00, notre guide nous attendait porte 33
à l’accueil : c’était un ingénieur retraité du
CERN qui a amené dans le grand amphithéâtre de la Direction
pour nous présenter le CERN et ses installations.
Un peu d’histoire :
Le CERN (Centre
Européen de Recherche Nucléaire) est le plus grand laboratoire
mondial de recherche en physique des particules.
Il étudie la
nature de la matière, ce dont elle est constituée et les forces
qui assurent sa cohésion. Le laboratoire met à la disposition
des chercheurs des instruments scientifiques à la pointe de la
technologie : des accélérateurs qui propulsent de minuscules
particules à des vitesses proches de celle de la lumière, et
des détecteurs pour rendre visibles ces mêmes particules. Son
alimentation électrique est assurée à 80% par l’EDF
et 20% par la Suisse. Ainsi, le CERN est-il en France le
deuxième client d’EDF, juste après la SNCF.
Au CERN près de
3000 chercheurs de 80 nationalités collaborent chaque
jour à la découverte de la structure ultime de la matière et
de l’origine de l’Univers. 7500 clients dans la
plupart des pays du monde utilisent aujourd’hui les
investissements du CERN. Le budget annuel de
fonctionnement est, en équivalent Euros, de 850 Millions
d’Euros (sans compter les investissements). Plus de 5000
calculateurs, installés dans « la ferme » au
CERN (appelée aussi « data grid ») permettent au
chercheur un traitement des flux colossaux d’informations
issues des accélérateurs. Actuellement, le CERN s’oriente
vers les calculs obtenus par l’intermédiaire du WEB en
utilisant les ressources de la toile dans les différents états
membres.
Le CERN
cherche des réponses aux questions fondamentales sur
l’univers : de quoi est-il constitué ? Comment
a-t-il évolué ? Le CERN rassemble 7000
scientifiques de plus de 80 pays : le CERN est un
laboratoire pour le monde. Le CERN innove en repoussant e
frontières de la technologie et de l’ingénierie. Le
CERN forme de jeunes scientifiques et ingénieurs qui
deviendront les experts de demain.
Déroulons
l’histoire très riche de cette entreprise européenne à
vocation planétaire :
·
Fondé en 1954 par les grands physiciens du moment, dont
Oppenheimer, l’inventeur de la bombe atomique, qui voulait
se racheter et montrer qu’on pouvait tirer du nucléaire
bien des choses positives, le CERN a été l’une des
premières entreprises communes à l’échelle européenne.
Il est devenu un exemple éclatant de collaboration
internationale : sa convention constitutive avait été signée
à l’origine par 12 pays ; il compte aujourd’hui 20
Etats membres.
L’implantation
du laboratoire, de part et d’autre de la frontière entre la
France et la Suisse, symbolise l’esprit international de
collaboration qui est la raison même de son succès.
·
Dès sa création ses quatre missions étaient déjà clairement
définies 1) recherche fondamentale dans le domaine de la
structure de la matière 2) formation des jeunes scientifiques du
monde entier 3) développement de nouvelles technologies de
pointe 4) faire collaborer dans un bon esprit de coopération des
scientifiques de toutes nationalités et origines
·
Commencé dès 1957, la première grande réalisation du
CERN est l’accélérateur « Synchro-Cyclotron »
(SC), aujourd’hui désaffecté. En 1959, lui succèdera
le « Synchrotron à Protons » (SP).
·
En 1968, Georges CHARPAK invente la chambre
proportionnelle multifils. Il sera Prix Nobel en 1992.
·
En 1971 démarrent au CERN les anneaux de stockage à
intersections (ISR), premier collisionneur proton-proton
au monde.
·
En 1973, le CERN découvre les « courants
neutres », première confirmation de la théorie
électrofaible (unification des forces faible et
électromagnétique)
·
En 1976, le super synchrotron à protons (SPS)
entre en fonctionnement au CERN.
·
En 1983, le CERN découvre des particules W et Z.
Carlo RUBBIA et Simon Van Der Meer seront Prix Nobel en 1984.
·
En 1989, le grand collisionneur électron-positon (LEP)
démarre. Ce sera l’anneau le plus grand (27 kms de
circonférence, près de 9 kms de diamètre). Il confirmera
qu’il n’existe que trois types de neutrinos (et trois
familles de particules matérielles)
·
En 1990, Tim BERNERS-LEE invente au CERN le World Wide
Web (destiné à l’origine à relier entre eux les
scientifiques). Peu de personnes dans le monde savent
aujourd’hui que le WEB est une invention du CERN.
·
En 1993, les premiers résultats précis sur la violation
de la parité CP, expliquent au CERN la différence infime
entre matière et antimatière.
·
En 1995 ont lieu les premières observations de l’antihydrogène.
·
En 1999 débute au CERN la construction du grand
collisionneur de Hadrons (LHC = Large Hadron Collider »
= Grand Collisionneur de Hadrons). Savez-vous que la plus
grande partie des aimants supraconducteurs utilisés ont été
réalisés à Belfort, dans l’usine ALSTOM par son entité
« MSA » ? C’est un véritable succès
technologique : des champs magnétiques supérieurs à 8
Teslas peuvent ainsi être obtenus dans des volumes relativement
faibles, sous ambiance d’hélium liquide (-271 degrés C).
·
En 2000, le CERN obtient un nouvel état de la matière, le
plasma de quarks et de gluons, ainsi le CERN recrée les
conditions ayant probablement existé quelques fractions de
seconde après le « Big Bang » et fait un
grand pas en avant dans la compréhension de la formation de
l’univers et de son expansion.
·
En 2002, le CERN sort les premiers résultats sur les
atomes d’antihydrogène.
·
En 2007 , cette année, est prévue la mise en
service du LHC.
Nous avons pu
voir, pendant la visite, l’emplacement de l’essai
d’émission, depuis le CERN (base de Ferney-Voltaire),
d’un faisceau de neutrinos, particules qui
interagissent très peu avec la matière ordinaire (donc qui la
traversent très facilement), à travers la surface de la terre jusqu’à
une cible située dans le laboratoire italien du Grand Sasso,
à 730 kms du CERN, le faisceau de particules passant
jusqu’à 11 kms sous terre.
Les
constituants de base de la matière :
Lorsqu’on
descend à l’échelle de l’atome, on trouve les
électrons et le noyau, constitué de protons et de neutrons. Si
l’on descend encore plus bas, à l’échelle de
l’électron, on découvre que 4 particules seulement
suffisent à décrire la matière du monde qui nous
entoure : le quark-up, le quark-down, l’électron et
le neutrino de l’électron.
Différentes
forces (ou interactions) agissent entre les particules. La force
nucléaire forte, la force électromagnétique et la gravitation
regroupent les particules dans des structures allant des atomes,
invisibles, aux immenses galaxies, riches de millions
d’étoiles. La force nucléaire faible transforme les
particules et les noyaux atomiques d’un type à un autre.
Elle est par exemple responsable des réactions nucléaires qui
alimentent le soleil. Les forces sont elles-mêmes portées par
des particules vecteurs (ou bosons intermédiaires), différentes
des particules de matière. Ces particules qui véhiculent les
forces ont une durée de vie infime, le temps de transmettre
l’information d’une particule à une autre.
On pense
aujourd’hui qu’il n’existe que 4 types de
forces (avec, entre parenthèses, leurs particules
vecteurs associées) : La force gravitationnelle
(Graviton), la force nucléaire faible (Bosons W et
Z), la force électromagnétique (Photon), la force
nucléaire forte (Gluon).
Au CERN, les
physiciens explorent la matière à l’aide d’accélérateurs
ou de collisionneurs de particules. Ces machines accélèrent
des faisceaux de particules et les font entrer en collision, ou
les projettent sur des cibles, afin de recréer les conditions
d’énergie intense des premiers instants de l’univers.
Ainsi le CERN a-t-il obtenu, pendant un très court instant, une
température équivalente à un milliard de fois celle
existant au centre du soleil. Les accélérateurs utilisent
des champs électriques élevés pour accélérer les
faisceaux de particules et des champs magnétiques pour
les dévier, les guider dans la machine. Les plus grands
accélérateurs sont circulaires et font appel à de puissants
champs magnétiques pour faire tourner les particules dans un
anneau afin qu’à chaque tour, elles acquièrent de
l’énergie supplémentaire. (voir ci-après le détail
concernant le LHC).
Les
détecteurs enregistrent ce qui se passe lorsque les
particules entrent en collision. Les collisions très
énergétiques produisent une multitude de nouvelles particules.
En effet, l’énergie se transforme en matière, comme le
stipule l’équation d’Einstein, E=mc2,
où E est l’énergie, m la masse et c la vitesse de la
lumière (300.000 kms/seconde). Les différentes couches
d’un détecteur mesurent différentes propriétés des
particules produites lors des collisions. Les détecteurs de
traces révèlent le parcours des particules qui jaillissent de
la collision. D’autres couches, les calorimètres, mesurent
l’énergie des particules. Dans le détecteur, un aimant
courbe les trajectoires des particules chargées électriquement
et aide à les identifier.
Le CERN crée
des faisceaux variés : de muons à haute
énergie pour étudier le proton, d’ions lourds pour
créer de nouveaux états de la matière, ou d’ions
radioactifs pour observer des noyaux exotiques.
Le CERN
produit aussi des faisceaux d’antiparticules, qui sont
les constituants de l’antimatière, sorte
d’image miroir de la matière ordinaire. Plusieurs
expériences fabriquent de l’antimatière et
l’étudient.
L’Ingénierie
pour le CERN, notamment en cryogénie, supraconductivité,
microélectronique, technologie du vide et génie civil,
offre aux entreprises clientes une expérience dont elles peuvent
tirer parti dans d’autres projets.
Notre visite
s’est poursuivie autour du LHC, au lieu
d’expérience dit LHCb (b comme le quark b détecté dans
ce puits) nous sommes descendus par un ascenceur à -100m et
nous avons pu admirer en coupe l’un des détecteurs-collisionneurs
utilisé sur le LEP. Notre guide était une chercheuse belge en
physique nucléaire. Son contrat (CDD) de 2 ans, lui permet
d’obtenir une « carte de visite » intéressante
pour la suite de sa carrière. Munis de nos casques de
sécurité, nous allons donc détailler ce LHC.
Un nouvel
accélérateur toujours plus en pointe: le projet LHC
(« Large Hadron Collider » = Grand Collisionneur de
Hadrons) :
Les hadrons sont
par définition toutes les particules constituées de quarks.
Dans notre environnement les seuls hadrons stables sont le
neutron, le proton (et toute autre particule constituée de
protons et/ou de neutrons)
Le nouveau
projet du CERN, le LHC, en cours de mise au point et dont la mise
en service devrait être achevée avant la fin de l’année
2007, représente un investissement de plus de 2 milliards
d’Euros. Ce nouvel accélérateur et les détecteurs
associés permettront de scruter la matière à des niveaux
jamais atteints. C’est la machine la plus puissante jamais
construite au monde.
Leur mise au
point et leur réalisation nécessitent des solutions innovantes
dont les retombées se feront nécessairement sentir dans
l’industrie.
Le LHC,
grand collisionneur de hadrons, est unique :
c’est le plus puissant des accélérateurs de particules au
monde. Il est scientifique : ce nouvel accélérateur
de 27 kilomètres de circonférence permettra de faire progresser
notre compréhension de l’univers. Il est pionnier :
les résultats attendus par des physiciens du monde entier,
pourraient ouvrir de nouveaux champs de découvertes. Le LHC
est une machine qui accélère deux faisceaux de particules à
plus de 99,9% de la vitesse de la lumière (300.000 kms par
seconde) avant de les projeter l’un contre l’autre. Ces
collisions donneront naissance à une multitude de particules
qu’étudieront les physiciens.
Un anneau
souterrain : le LHC est installé dans le tunnel
circulaire de 27 kms de circonférence, enfoui entre 50 et 150m
de profondeur. Situé entre les montagnes du Jura en France et le
Lac Léman en Suisse, ce tunnel a été construit dans les
années 80 pour le précédent grand accélérateur du CERN, le
Grand Collisionneur Electron-Positon, le LEP. Autour de
l’anneau, 4 grands détecteurs sont installés sous
terre : le LHCb, le CMS, ATLAS et ALICE,
c’est là que se produisent les collisions et ont lieu les
détections des diverses particules étudiées.
Des
collisions par milliards : dans le LHC auront lieu des
collisions frontales entre deux faisceaux de particules
identiques, soit des protons, soit des ions de plomb. Les
faisceaux seront créés dans la chaîne des accélérateurs du
CERN avant d’être injectés dans le LHC. Ils y circuleront
dans un tuyau métallique dans lequel régnera un vide presque
absolu, comparable à celui de l’espace intersidéral. Des
aimants supraconducteurs, fonctionnant à des températures
extrêmement basses (celles de l’Hélium liquide à
-271 degrés C), guideront les faisceaux le long des 27 km de
l’anneau. Chacun des deux faisceaux (circulant dans les deux
sens dans deux tuyaux métalliques de 2 cm de diamètre) sera en
fait discontinu et formé de paquets de particules, chacun de ces
paquets contenant 100 milliards de particules. Ces paquets
voyageront à 7 m d’intervalle les uns des autres : il
y en aura donc environ 4000 qui circuleront tout au long des 27
km de circonférence. Chaque paquet circulant quasiment à la
vitesse de la lumière (300.000 km/s) il faut environ 82
microsecondes pour qu’un paquet fasse le tour de
l’accélérateur, autrement dit, chaque paquet
effectue 11245 tours d’accélérateur en une seconde. Un
faisceau circule normalement pendant 10 heures, parcourant ainsi
10 milliards de km, une distance équivalente à un aller-retour
sur la planète Neptune. Les particules sont si minuscules que la
probabilité pour que deux d’entre elles se percutent est
très faible. Quand deux paquets se croisent, seules 20
collisions surviennent en moyenne parmi les 200 milliards de
particules qui les constituent. Mais comme l’ensemble des
paquets se croisent environ 30 millions de fois par seconde, le
LHC pourra produire jusqu’à 600 millions de collisions par
seconde.
De nouvelles
découvertes : le LHC dont la mise en service doit se
terminer fin de cette année 2007, produira des collisions avec
les énergies les plus élevées jamais atteintes en laboratoire.
Les physiciens en attendent les résultats avec impatience. Ils
observeront ces collisions à l’aide de quatre immenses
détecteurs : ALICE, ATAS, CMS et LHCb. Le LHCb que
nous avons visité, se spécialisera dans la détection des « quarks
b », d’où son nom.
Un concentré
d’énergie : le LHC est une machine qui concentre
de l’énergie dans un minuscule espace. L’énergie des
particules est mesurée en téraélectronvolts (TeV) (1 TeV = 1012
eV= 1 millier de milliard d’électron-volts). Un TeV
équivaut environ à l’énergie d’un moustique en vol.
Un proton étant mille milliards de fois plus petit qu’un
moustique, cette énergie est infiniment plus concentrée dans le
LHC. Chaque proton circulant dans le LHC a une énergie de 7 TeV.
L’énergie d’une collision entre deux protons sera donc
de 14 TeV (puisque les deux protons circulent en sens inverse
avec la même énergie de 7 TeV). Les ions de plomb sont
composés de dizaines de protons, permettant d’obtenir une
énergie de collision plus élevée encore, de 1150 TeV. A pleine
puissance, chaque faisceau renfermera autant d’énergie
qu’une voiture roulant à 1600 km/h. L’énergie
emmagasinée dans les aimants suffirait à faire fondre 50 tonnes
de cuivre.
Une
technologie novatrice : Après avoir atteint une
énergie de 0,45 TeV dans la chaîne des accélérateurs du CERN,
les faisceaux seront injectés dans le LHC, où ils effectueront
des millions de tours. A chaque révolution un champ électrique
contenu dans des cavités spéciales leur donnera une impulsion
supplémentaire, jusqu’à atteindre cette énergie de 7 TeV.
Pour contrôler les faisceaux de telles énergies, le LHC
utilisera 1800 systèmes d’aimants supraconducteurs. A très
basse température, leur partie active, en alliage de niobium et
de titane, conduit l’électricité sans aucune résistance.
Les champs magnétiques générés sont ainsi bien plus élevés
qu’avec des électro-aimants ordinaires. Les aimants du LHC
fonctionnent à une température de seulement 1,9 kelvins (-271
°C). L’intensité d’un champ magnétique
s’évalue en teslas. Le LHC produira environ 8 Teslas, alors
que les électro-aimants ordinaires ne peuvent produire que des
champs magnétiques de 2 Teslas au maximum. Si le LHC utilisait
des aimants ordinaires plutôt que des supraconducteurs,
l’anneau devrait mesurer 120 kilomètres de circonférence
pour atteindre les mêmes énergies de collision. Une telle
machine consommerait 40 fois plus d’électricité.
Le CERN
développe une nouvelle technologie de réseaux, appelée Grille
de calcul (GRID). Elle reliera des dizaines de milliers
d’ordinateurs de par le monde afin de mettre en place
d’énormes capacités de calcul et de stockage informatiques
pour les expériences du LHC.
Les expériences
du LHC vont produire de gigantesques volumes de données. Il
faudrait une pile de DVD haute de 20 kilomètres pour stocker les
données recueillies chaque année par les expériences.
Mandaté par ses
états membres, le CERN investit 6 milliards de francs suisses
dans le LHC, pour l’accélérateur, la main
d’œuvre, l’informatique, ainsi que sa contribution
aux expériences. Cependant, le LHC est un projet mondial et 10%
environ du coût matériel de la machine est pris en charge par
des Etats non membres.
Plus de 10000
scientifiques de 500 instituts et entreprises du monde entier
participent au projet LHC. Les équipements sont construits dans
de nombreux pays d’Europe (cf les aimants supraconducteurs,
en grande partie fournis par ALSTOM MSA à Belfort), mais aussi
au Canada, aux Etats-Unis, en Inde, au Japon ou en Russie.
Et la suite
du LHC : le CERN travaille déjà à l’horizon 2020
à la construction d’un nouvel accélérateur de particules.
Il sera, cette fois-ci, linéaire, sur une distance de 60 kms et
fera entrer en collisions, à nouveau, des électrons.
Fin de la
visite : après avoir reconduit nos guides, nous partons
de Genève vers 18h00 pour rejoindre Besançon, Montbéliard,
puis Belfort à 22h00.
Conclusions :
ce fut une visite appréciée par tous où nous avons réellement
remis à jour nos connaissances d’ingénieurs. Nous
remercions l’URIS Franche-Comté de l’avoir organisée.
Jean-Pierre BULLIARD
Accompagnateur 2ème
visite
Vice-Président de
l’URIS Franche-Comté
Président des
Ingénieurs INSA de Franche-Comté
Quelques photos de la visite :
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