Une énergie record ouvre de nouvelles perspectives de découvertes au LEP

La page LEP 1 après 5 minutes des premières collisions d'une énergie d'au moins 200 GeV dans le centre de masse.

La page LEP 1 après 5 minutes des premières collisions d'une énergie d'au moins 200 GeV dans le centre de masse.

Au CERN le 2 août 1999 à 11h 15, des faisceaux d'électrons et de positons ont été accélérés à 100 GeV dans le grand collisionneur électron-positon (LEP2) où ils sont entrés en collision pour la première fois à cette énergie. Deux raisons justifient les applaudissements, accolades et tintements de verres qui ont suivi dans la salle de commande du LEP. Premièrement, l'établissement d'un nouveau record d'énergie pour un accélérateur électron-positon représente un fantastique exploit technique de la part des spécialistes des accélérateurs du CERN. Deuxièmement, l'énergie de collision de 200 GeV ouvre de nouvelles et passionnantes perspectives de découvertes aux expériences LEP.

Il y a presque exactement 10 ans, le 13 août 1989, les premières collisions étaient enregistrées par les expériences montées auprès de l'accélérateur de 27 km du CERN. Depuis cette date, la progressive montée en énergie des faisceaux de particules du LEP (voir encadré) a produit une riche moisson de résultats de physique de haute précision. Après six années de recherche sur la particule Z à 91 GeV, le LEP a produit ses premières paires de particules W en 1996 à 161 GeV. Deux nouveaux bonds en avant en 1997 et 1998 ont permis à l'accélérateur de fonctionner d'abord à 184 GeV puis à 196 GeV. Soumis à la pression constante des expérimentateurs désireux de disposer d'une énergie et d'une luminosité plus élevées, le CERN a proposé un vaste programme de perfectionnement, afin d'exploiter la machine au maximum de ses possibilités pendant ses dernières années de service, avant que le Laboratoire consacre tous ses efforts à la construction du grand collisionneur de hadrons (LHC), le futur accélérateur du CERN. Presque tous les principaux systèmes, notamment les installations radiofréquence et cryogéniques, ainsi que les équipements de vide, ont été améliorés et les performances de certains d'entre eux poussées bien au-delà des spécifications techniques initiales. Le succès de l'équipe du LEP, qui a réussi à tirer le maximum des installations pour atteindre 100 GeV par faisceau, illustre la physique des accélérateurs sous son meilleur jour.

Cette montée en énergie progressive du LEP a été aiguillonnée par la recherche du boson de Higgs. Les physiciens des particules ne sont pas encore en mesure d'expliquer les masses des particules fondamentales. Quelque raison fondamentale explique-t-elle les masses propres des quarks et des leptons? Pourquoi l'éventail de ces masses est-il aussi large (la masse du quark t est 3,5 millions de fois plus grande que celle de l'électron), et pourquoi certaines particules ont-elles une masse, alors que d'autres en sont apparemment dépourvues?

La "réponse" actuelle à ces questions est apportée par le subtil "mécanisme de Higgs". Au cours des dix dernières années, le LEP, grâce à un accroissement de l'énergie et de la luminosité intégrée, s'est rapproché de la particule de Higgs.

Des mesures de précision effectuées au LEP ont prédit récemment une masse de l'ordre de 109 GeV pour le boson de Higgs du modèle standard. Cela signifie que pour produire le Higgs en association avec un boson Z ­ le mode de production dominant au LEP2 ­ il faut une énergie d'au moins 200 GeV dans le centre de masse. L'accélérateur est maintenant en mesure de créer ces conditions et les physiciens de chacune des quatre expériences LEP, ALEPH, DELPHI, L3 et OPAL , ont commencé à analyser fébrilement les données à la recherche d'une nouvelle physique.

Les accroissements de l'énergie au LEP

1989

L'accélération était opérée avec un système radiofréquence en cuivre fonctionnant à la température ambiante et constitué de 128 cavités à cinq cellules avec une tension potentielle de 400 MV. Parallèlement au succès de l'exploitation au niveau du pic du Z jusqu'en 1995, des travaux de recherche et de développement ont été effectués dans le but de fournir la technologie et les techniques de production pour des cavités supraconductrices à gradient élevé.

1995

Quelques modules d'essai de cavités supraconductrices ont été installés, ce qui a permis de porter l'énergie à 70 GeV par faisceau.

1996

L'énergie des faisceaux a atteint pour la première fois l'énergie de production des paires de W et la collecte des données pour la physique s'est faite à des énergies de faisceau comprises entre 80,5 et 86 Gev.

1996-1997

Pendant la période d'arrêt de l'hiver, on a installé un nouveau lot de cavités supraconductrices, ce qui a porté à 192 le nombre total de ces cavités.

1997

Les énergies des faisceaux étaient de 91-92 GeV, ce qui est très supérieur au seuil de production des paires de W.

1998

Le LEP2 a fonctionné à 94,5 GeV avec 272 cavités supraconductrices. Luminosité intégrée record de 200 pb-1.

1999

L'énergie a été portée de 96 GeV en mai à 98 GeV en juillet et a culminé à 100 GeV en août.

Août 1999

Exploitation du LEP à 100 GeV. A cette énergie, le LEP fonctionne à ses limites dans de nombreux domaines; en particulier, le système radiofréquence, conçu avec optimisme pour des gradients de 6 MV/m, doit faire fonctionner l'ensemble des 288 cavités avec un gradient moyen de 7 MV/m. La tension RF totale requise par tour est de 3400 MV, et la puissance du rayonnement synchrotron à cette énergie atteint le chiffre vertigineux de 18 MW, ce qui met à l'épreuve les éléments du système de vide dans leurs conditions limites et nécessite un contrôle attentif du bruit de fond dans les expériences. La première période d'expérimentation à une énergie de collision de 200 GeV a néanmoins été un grand succès, puisqu'elle a produit une luminosité supérieure à 320 nb-1 dans chacun des quatre détecteurs.

Photos CERN

Note(s)

* Le CERN, Laboratoire européen pour la physique des particules, a son siège à Genève. Ses Etats membres sont les suivants: Allemagne, Autriche, Belgique, Bulgarie, Danemark, Espagne, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Italie, Norvège, Pays-Bas, Pologne, Portugal, la Slovaquie, la République tchèque, Royaume-Uni, Suède et Suisse.   La Fédération de Russie, les Etats-Unis, Israël, le Japon, la Turquie, la Commission des Communautés européennes et l'UNESCO ont le statut d'observateur.

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