Le LHC c'est quoi ?

Un nouvel accélérateur de particules est actuellement en construction au CERN. C’est le LHC (Large Hardons Accelerator), il a pour but d’accélérer des noyaux et non plus seulement des électrons ou positrons comme cela était le cas dans l’ancien accélérateur, le LEP. Or, pour cela il faut apporter une énergie bien plus importante que pour un simple électron.

En réalité, les particules accélérées ne sont que des vecteurs pour créer une forte énergie. Le fait d’accélérer une particule lui confère une énergie sous forme cinétique. Les collisions transforment cette énergie cinétique en autres choses et ce sont ces choses que l’on observe et que l’on analyse.

Pour revenir au LHC, être capable d’accélérer de plus grosses particules (le proton est 1835 fois plus lourd que l’électron) permet un travail avec des énergies toujours plus importantes. Les particules créées auront d’autant plus de masse que l’énergie est importante


 

Le principe

                Pour optimiser les 27 Km du tunnel du CERN, les impacts de particule ne se feront plus contre une cible fixe, mais entre deux paquets de protons voyageant en sens opposés.

Afin d’accélérer deux flux de protons dans des sens opposés dans une machine à la fois compacte et nécessitant un minimum d’énergie électrique, il a fallu réaliser un aimant capable de maintenir des faisceaux de protons dans leur trajectoire se déplaçant en sens inverses.  En effet, plus leur vitesse est grande, plus les faisceaux de protons auront tendance à vouloir sortir de leur trajectoire circulaire sous l’effet de la force de Coriolis.

Des champs magnétiques seront présents pour contrer cette force en créant une force
 
Voici la méthode retenue pour  réaliser cela:

Soit le montage suivant : une plaque métallique traversée par deux fils conducteurs dans lesquels passe un courant égal et opposé. On dispose sur cette plaque de la limaille de fer. Cette limaille va alors s’organiser comme ci-dessous sous l’effet du champ magnétique créé :

Appliquons Biot et Savart en assimilant les deux conducteurs à une spire parcourue par un courant I. L’espace séparant les conducteurs, correspondant au diamètre de la spire.

 
On trouve  au centre des deux conducteurs, c'est-à-dire là où les protons circulent.

 
Pour représenter les champs ailleurs qu’en R=0, prenons un cylindre de longueur dz et de rayon r petit
 

 car le flux d’un champ magnétique à travers une surface fermée est nul.

 
Il vient

Le calcul du champ magnétique créé nous donne
 

En réalité, la géométrie des conducteurs électriques a une forme particulière qui permet d’obtenir un champ magnétique uniforme dans la zone utile où les particules voyageront.
 

L’action du champ magnétique sur l’intensité se traduit par des forces de Laplace –F et +F qui tendent à ouvrir l’aimant. (environ 400 tonnes par mètre).
 



Calculons l’intensité en partant de la connaissance des forces de Laplace de  tonnes par mètres

on prendra R=10 cm

 
Ce résultat est possible étant donné la supraconductivité de nos conducteurs

On trouve alors en remplaçant l’intensité dans l’équation de B0 :

 
Pour contenir l’action de ces forces, on utilise des colliers de serrage non magnétiques. Pour confiner le champ magnétique et donc refermer les lignes de champ plus près de la zone utile, on englobe le tout dans un matériau magnétique. On symétrise le tout pour avoir deux champs magnétiques opposés servant a courber la trajectoire des deux faisceaux.

Le tout baigne dans l’hélium liquide à -271°. En effet, pour supporter les intensités colossales dans les conducteurs, ceux-ci sont en matériaux supraconducteurs.

La supraconductivité induit une résistance nulle et donc un effet joule nul.

Leur supraconductivité est assurée seulement pour des températures très faibles, mais dépendent aussi du champ magnétique et de l’intensité leur étant appliquées.

 

Le Niobium Titane serait donc utilisable d’après nos résultats. En réalité, il n’a pas été retenu dans la conception de LHC car ce matériau n’est pas assez flexible et ne supporterait pas le rayon de courbure imposé par le tunnel.

 

L’accélération des protons est elle assurée par des cavités accélératrices qui leur appliquent une différence de potentiel de 6000 V/m (données CERN).