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Histoire du LEP

L'histoire du LEP a commencé à la fin des années 70, lorsque des physiciens des Etats membres du CERN* se réunirent pour discuter de l'avenir à long terme de la physique des hautes énergies en Europe. Un nouveau modèle des interactions fondamentales, unifiant les forces faible et électromagnétique, apparaissait, et le LEP serait la machine qui permettrait de l'étudier. Après une histoire qui s'était édifiée sur des machines à protons, l'idée d'un collisionneur électron—positon constituait pour le CERN une rupture par rapport à la tradition. Mais comme les électrons et les positons sont, à notre connaissance, des particules ponctuelles, les résultats de leurs collisions sont bien plus faciles à interpréter que ceux des collisions entre des protons et des antiprotons, qui constituaient l'avenir immédiat du CERN. Le projet LEP fut approuvé officiellement en 1981 et les travaux de génie civil commencèrent le 13 septembre 1983, lorsque les Présidents des deux pays hôtes du CERN, François Mitterrand pour la France et Pierre Aubert pour la Suisse, donnèrent symboliquement le premier coup de pioche et posèrent une plaque commémorative de l'inauguration.

Une avance rapide

Les travaux de génie civil pour le LEP furent une grande entreprise. Une bonne part de l'infrastructure nécessaire au nouvel accélérateur était déjà en place, puisqu'il était prévu que le complexe d'accélérateurs existant du CERN opère une préaccélération des électrons et des positons du LEP, mais un grand nombre d'installations nouvelles devaient être construites. Les plus apparentes étaient le tunnel de 27 kilomètres abritant la machine, ainsi que les halls d'expérimentation et les bâtiments de surface. Il fallait aussi des tunnels de transfert pour relier l'accélérateur SPS au LEP, ainsi que des bâtiments pour loger un accélérateur linéaire (linac), et des anneaux de stockage pour produire et accumuler des électrons et des positons. Les progrès furent impressionnants. A la fin de 1984, les bâtiments du linac et de l'accumulateur électron—positon étaient terminés et dix des dix-huit puits d'accès avaient été creusés. Le 8 février 1988, les deux extrémités du tunnel en construction de 27 kilomètres se rejoignirent avec une erreur d'un centimètre seulement. Un faisceau fut ensuite injecté cette même année dans les premiers 2,5 kilomètres de l'anneau, et le premier faisceau circula le 14 juillet 1989. Les collisions commencèrent un mois après, le 13 août, cinq ans et onze mois exactement après la cérémonie du premier coup de pioche.

Mesures du terrain

Un tunnel de 27 kilomètres nécessite de minutieux travaux géodésiques pour que ses extrémités se rejoignent exactement, surtout lorsque ce tunnel est destiné à abriter un accélérateur de particules dont les éléments doivent être alignés à une fraction de millimètre près. Au début du projet, on avait recours à des mesures en surface, pour cartographier le réseau de surface, et les tunneliers étaient ensuite guidés par des techniques gyroscopiques sous la surface du sol. La première section de 1300 mètres fut achevée en 1984 avec une erreur d'un centimètre dans les plans horizontal et vertical. Un an après, l'expérience acquise avec les tunneliers permit de creuser l'arc de quatre kilomètres allant du point 1 (sur le domaine du CERN à Meyrin) au point 2 (emplacement de l'expérience L3) avec une erreur de quatre millimètres seulement. Vers la fin de 1984, les mesures terrestres furent complétées par des mesures avec le système de mesure par satellite NAVSTAR. Grâce à des signaux horaires émis par une horloge atomique embarquée, des récepteurs terrestres calculaient les positions de paires de stations géodésiques. Les résultats obtenus avec NAVSTAR permirent de repérer huit sites de surface du LEP à quatre millimètres près par rapport aux résultats des mesures terrestres.

Installation des détecteurs

Les quatre collaborations qui construisaient des expériences pour le LEP firent oeuvre de pionnier en devenant les groupes de physiciens les plus cosmopolites que le monde ait jamais vus. Des éléments des détecteurs ont été construits dans des pays aussi éloignés des pays membres du CERN que la Chine, le Japon ou les Etats-Unis. Lorsque les halls d'expérimentation furent prêts en 1988, tous les divers équipements des détecteurs arrivèrent du monde entier pour leur assemblage final au CERN. La bobine supraconductrice de l'expérience DELPHI dut faire un trajet, minutieusement préparé, de 1600 kilomètres par la route, par la mer et par péniche jusqu'à sa descente du Jura pour arriver au CERN en octobre 1987. La bobine de DELPHI faisait partie du plus grand aimant supraconducteur jamais construit, avec une longueur de 7,4 mètres, un diamètre de 6,2 mètres et un poids de près de 84 tonnes. Elle fut installée avec des éléments du détecteur venus d'Allemagne, de Belgique, du Danemark, d'Italie, de Finlande, de France, de Grèce, des Pays-Bas, de Pologne, du Royaume-Uni, de Russie et de Suède. Chacune des autres expériences - ALEPH, L3 et OPAL — pouvait aussi se targuer d'une collaboration internationale similaire.

Installation de l'accélérateur

A la fin de 1987, les aimants du LEP étaient stockés et prêts à être installés. Les aimants de couleur blanche à l'arrière-plan sont les aimants dipolaires du LEP, qui se distinguent par leur conception originale. Ils sont constitués de plaques d'acier avec un garnissage de béton dans les interstices séparant les plaques. Compte tenu que les champs de courbure utilisés pour le LEP sont relativement faibles, cette technique constitue une alternative bien moins onéreuse que l'acier massif: le prix de revient est divisé par deux environ. Les aimants de couleur bleue au premier plan sont des aimants quadripolaires de focalisation et les petits aimants jaunes à l'arrière-plan des sextupôles qui corrigent la "chromaticité" des faisceaux; de même que les systèmes optiques apportent des corrections pour les différentes longueurs d'ondes qui constituent la lumière, ces sextupôles corrigent la dispersion des impulsions dans les faisceaux de particules du LEP. Le LEP complet possède 3368 dipôles, 816 quadripôles, 504 sextupôles et 700 autres aimants qui apportent de légères corrections aux orbites des faisceaux. Autour de chaque expérience, des quadripôles supraconducteurs à champ très élevé permettent de comprimer une dernière fois les faisceaux avant de les faire entrer en collision.

Un des premiers événements

Voici l'une des premières collisions électron-positon enregistrées dans le LEP pendant la période d'exploitation pilote de cinq jours de l'accélérateur qui commença un peu avant minuit le 13 août 1989. L'expérience OPAL eut le privilège d'enregistrer la toute première collision, à minuit cinq environ, mais les trois autres expériences ne tardèrent pas à suivre. Le LEP était conçu pour étudier les particules W et Z porteuses de la force faible qui joue un rôle important dans la radioactivité et dans les processus nucléaires qui permettent la combustion du Soleil. Sur cette image, une particule Z se désintègre sous forme de quarks. En s'éloignant du point de collision, les quarks produisent les "jets" de particules qu'on peut voir. Les lignes montrent les traces des particules et les cadres l'énergie qu'elles ont déposée. La première période d'exploitation véritablement consacrée à la physique commença le 20 septembre et se poursuivit pendant trois mois. Dans cette période, chaque expérience enregistra quelque 30 000 particules Z, une quantité suffisante pour lancer les premières analyses des données recueillies avec le LEP.

L'inauguration du LEP

Le LEP fut inauguré officiellement le 13 novembre 1989 en présence de quelque 1500 invités, parmi eux des chefs d'Etat et des ministres de l'ensemble des quatorze Etats membres du CERN. Onze ans plus tard, le nombre d'Etats membres du CERN est passé à vingt, avec l'adhésion de la Finlande, des Républiques tchèque et slovaque, de la Hongrie, de la Pologne et de la Bulgarie. Les résultats du LEP ne se firent pas attendre. A la date de l'inauguration, les premiers résultats avaient déjà été annoncés: les expériences LEP avaient montré que les familles de particules étaient au nombre de trois et seulement trois.

Les premiers résultats

Ce graphique présente la preuve attendue. La section efficace totale des collisions électron-positon est représentée en fonction de l'énergie dans l'exploration par le LEP de la région de masse de la particule Z. Le résultat est un pic très net correspondant aux désintégrations visibles de particules Z. Mais le Z peut aussi se désintégrer sous forme de neutrinos qui échappent aux détecteurs. Le graphique montre, outre les données, les prédictions du Modèle standard qui a postulé l'existence de deux, trois ou quatre types de neutrinos. La courbe des trois neutrinos correspond manifestement bien mieux aux données que les deux autres courbes. Toute la matière ordinaire est constituée de particules de la famille des particules les plus légères. C'est à une nouvelle génération d'expériences de physique qu'il appartiendra de répondre à la question de savoir pourquoi la Nature a fourni deux répliques plus lourdes de cette famille.

Les quatre détecteurs

Chaque détecteur du LEP est constitué de plusieurs couches de détecteurs secondaires qui repèrent les particules produites dans les collisions électron-positon. Le tube qui transporte les faisceaux d'électrons et de positons circulant dans des directions opposées passe au centre de ces détecteurs. Les sous-détecteurs qui l'entourent forment des cylindres concentriques avec des "bouchons" qui ferment les extrémités afin que seul un faible nombre de particules échappent à la détection. Chaque couche exécute une tâche spécialisée pour l'identification des particules produites dans les collisions.

L3

L3 est le plus grand des détecteurs du LEP. Son aimant (peint en rouge) est constitué d'environ 8500 tonnes de fer. Il mesure 15,8 mètres de haut et 16 mètres de long et entoure l'ensemble des éléments sensibles de L3 — des chambres pour enregistrer les traces des particules et des calorimètres pour mesurer leur énergie. Une partie du système de calorimétrie de L3 est constituée de cristaux de germanate de bismuth (BGO). Ces cristaux émettent de la lumière lorsqu'ils sont traversés par des particules chargées. Cette propriété du BGO présente un intérêt pour la médecine, où les cristaux peuvent être utilisés dans les appareils de tomographie par émission de positons (TEP). Leur emploi à L3 a ouvert la voie à leur application aux scanners dans les hôpitaux du monde entier.

ALEPH

Voici ce que donne une vue de face d'une collision dans le détecteur ALEPH après une reconstitution sur ordinateur. Les traces montrent le passage des particules produites lorsqu'un électron et un positon "s'annihilent" pour produire une particule Z. Le Z se désintègre ensuite pour produire ces trois jets de particules bien visibles mesurés par les trajectographes d'ALEPH et incurvés par le champ d'un électro-aimant supraconducteur. Sur l'image, les deux cercles extérieurs (en rouge) représentent l'énergie détectée dans les calorimètres. La forme des trois jets indique que la particule Z s'est rapidement désintégrée en un quark et un antiquark, mais que l'un de ceux-ci a également rayonné un gluon, le porteur de la force forte qui maintient ensemble les quarks. L'énergie totale contenue dans ces trois jets représente une énergie équivalant à la masse de la particule Z: 91 gigaélectronvolts (GeV).

OPAL

A l'occasion d'une opération de maintenance courante, le détecteur OPAL dévoile l'un de ses principaux sous-détecteurs. Le calorimètre électromagnétique mesure l'énergie des électrons et des photons. Il est constitué de plusieurs milliers de blocs de verre au plomb enveloppés de noir pour éliminer la lumière parasite; cette moitié en forme de C du cylindre comporte à elle seule 4720 blocs, et ceux-ci sont profilés selon 16 configurations différentes, de manière qu'ils soient tous orientés vers le point où les faisceaux entrent en collision. On distingue à gauche et à droite des parties des bouchons qui montrent, sur la gauche, la structure en couches du calorimètre hadronique. Celui-ci est constitué principalement de fer, qui arrête les protons, les neutrons et les autres hadrons (particules constituées de quarks). Entre les couches de fer sont disposés des détecteurs qui mesurent l'énergie déposée par ces particules. Le fer fait également partie de l'électro-aimant qui incurve les traces des particules pour fournir des informations essentielles sur leur impulsion et donc sur leur énergie.

DELPHI

Après sept années de mesure de précision de la particule Z, les expériences LEP ont porté leur attention sur les particules W. Cette reconstitution sur ordinateur de traces de particules dans le détecteur DELPHI révèle le premier exemple enregistré de la désintégration de deux particules W produites ensemble dans une collision électron-positon au LEP. Dans cette collision, l'électron et le positon se sont annihilés et leur énergie s'est transformée pour donner les masses des deux particules W — l'une à charge positive et l'autre à charge négative — qui se sont désintégrées presque instantanément en d'autres particules. Le W a plusieurs modes de désintégration, mais dans ce cas chaque particule W s'est désintégrée en un quark et un antiquark produisant un total de quatre jets dans le détecteur. Cet événement a été enregistré le 9 juillet 1996, peu de temps après que l'énergie du LEP eut été portée à 161 GeV par faisceau — juste assez pour créer la masse de la paire de particules W.

Le LEP vu d'en haut

Cette vue aérienne du LEP montre bien les dimensions du plus grand instrument scientifique au monde. L'anneau du LEP est représenté par le cercle blanc et la ligne pointillée marque la frontière entre la France vers le haut et la Suisse vers le bas. Le site principal du Laboratoire du CERN est proche de l'emplacement où l'anneau du LEP traverse la frontière dans l'angle en haut et à gauche. En bas à gauche, l'aéroport international de Genève-Cointrin donne une idée de l'échelle. Le quatre détecteurs du LEP sont disposés à intervalles réguliers autour de l'anneau à des emplacements repérés par des points blancs. Dans le sens horaire, ALEPH est en haut, suivi par OPAL, DELPHI et L3.

Dans le tunnel

Les principaux "moteurs" du LEP sont des "cavités" accélératrices supraconductrices comme celles-ci. Elles ont un double rôle: accélérer les faisceaux de particules jusqu'à l'énergie de collision et maintenir cette énergie lorsqu'elle a été obtenue. A chaque tour dans la machine, les particules traversent les cavités accélératrices où elles gagnent de l'énergie dans des champs électriques élevés. A l'entrée en service du LEP en 1989, son énergie était fournie par 128 cavités accélératrices en cuivre. Avec une tension accélératrice de 300 mégavolts (MV) par tour, elles fournissaient assez de puissance pour porter l'énergie de chaque faisceau à 50 GeV, ce qui suffit pour produire les particules Z.

Même à l'époque où le LEP était encore à l'étude, on avait fait preuve de clairvoyance en lançant un programme de R&D sur des cavités supraconductrices pour permettre au LEP d'accroître son énergie. Ces nouvelles cavités ont été installées à partir de 1996, et en 1998 un total de 272 cavités supraconductrices apportait une puissance suffisante — avec une tension accélératrice de 2700 MV par tour — pour que le LEP atteigne une énergie de collision totale de 189 GeV.

Le LEP en 2000

En mai 1999, les seize dernière cavités supraconductrices du LEP étaient installées et l'énergie de la machine a ainsi atteint 192 GeV. Mais on allait faire mieux. Les ingénieurs du LEP décidèrent de dépasser le point de fonctionnement nominal de 6 MV par mètre des cavités supraconductrices pour atteindre 7 MV par mètre, soit 6% au-delà de leur limite nominale. Le 2 août, à point nommé pour le dixième anniversaire du LEP, leurs efforts furent récompensés lorsque les premiers faisceaux de 100 GeV de l'accélérateur entrèrent en collision. Plus tard dans l'année, le 25 septembre, l'énergie fut encore augmentée d'un cran jusqu'à 101 GeV par faisceau, et c'est à cette énergie que se déroula une grande partie du dernier mois d'exploitation en 1999.

Irruption du Higgs

Ainsi, tout était réuni pour que la carrière du LEP atteigne une apogée dramatique en 2000. Huit anciennes cavités en cuivre furent remises d'urgence en service et les cavités supraconductrices furent sollicitées encore davantage. Il en résulta que le LEP parvint à une énergie de collision supérieure à 104 GeV par faisceau, et les expériences annoncèrent des signes alléchants d'une nouvelle physique. La particule de Higgs, jusqu'à présent insaisissable, est l'un des principaux maillons manquants de la physique. Sa découverte pourrait aider à expliquer les masses des particules fondamentales. Le LEP a déjà dépassé l'énergie la plus probable pour la découverte du Higgs, de sorte que chaque palier supplémentaire apporte de nouveaux espoirs de découverte. En septembre 2000, l'ensemble des quatre expériences LEP avaient enregistré des collisions pouvant être la preuve de l'existence d'une particule de Higgs avec une masse voisine de 114 GeV. Mais cette preuve n'est pour l'instant pas définitive. Nous savons déjà que si la particule de Higgs existe, elle sera à la portée du successeur du LEP, le Grand collisionneur de hadrons (LHC). Quoi qu'il se produise maintenant, l'accélérateur vedette du CERN a donc déjà démontré qu'on aura une riche moisson de résultats de physique lorsque le LHC entrera en service en 2005. Alors que nous nous réunissons pour célébrer les succès du LEP, la fin de l'histoire reste à écrire.

Faits et chiffres concernant le LEP

• Les travaux d'excavation pour la construction du LEP ont produit un volume total de 1,4 million de mètres cubes de déblais.
• La construction a duré cinq ans et onze mois.
• Le tunnel du LEP a une pente de 1,4%.
• Le tunnel a une circonférence de 26 659 mètres et il est situé à des profondeurs variant de 50 à 175 mètres.
• Le diamètre intérieur du tunnel est de 3,8 mètres dans les arcs et de 4,4 ou 5,5 mètres dans les sections droites.
• Dans le LEP, les électrons et les positons font plus de 11 200 fois le tour de l'anneau par seconde.
• La mesure de l'énergie du LEP est sensible à l'orbite de la Lune, au niveau des eaux du Lac Léman et au départ des TGV en gare de Genève.
• La pression à l'intérieur du tube de faisceau du LEP est environ 10¹⁵ fois inférieure à la pression atmosphérique.

Evolution de la puissance accélératrice du LEP

	Cavités accélératrices
Date	Cuivre	Film de niobium	Niobium massif	Tension accélératrice nominale (MV)	Energie du faisceau (GeV)
1990	128	0	0	300	45
Nov 1995	120	56	4	750	70
Juin 1996	120	140	4	1600	80.5
Oct. 1996	120	160	16	1900	86
Mai 1997	86	224	16	2500	91.5
Mai 1998	48	256	16	2750	94.5
Mai 1999	48	272	16	2900	96
Nov 1999	48	272	16	3500	101
Mai 2000	56	272	16	3650	104.5

* 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, République slovaque, République tchèque, Royaume-Uni, Suède et Suisse. La Fédération de Russie, Israël, le Japon, la Turquie, les Etats-Unis, la Commission des Communautés européennes et l'UNESCO ont le statut d'observateur.