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Le grand collisionneur de hadrons du CERN accélère des protons au long d'un cercle de 27 km jusqu'à des vitesses proches de celles de la lumière. Il les fait ensuite se rencontrer de front. Ce choc vise à faire apparaître de nouvelles particules. Mais le même processus ne peut être utilisé dans le cas des électrons, qui ne se déplacent qu'en ligne droite.
Les électrons sont un des composants de l'atome, avec les protons et les neutrons. Il s'agit de particules dites fondamentales, ce qui signifie qu'elles ne sont pas considérées comme composées de particules plus petites.
Mais ceci peut être erroné. Il serait donc intéressant d'observer ce qui se passerait au cas où ils se rencontreraient de front après avoir été convenablement accélérés. Mais ceci supposerait des accélérateurs linéaires d'une grande puissance, non encore réalisés.

L'expérience AWAKE

Le CERN, pour progresser dans cette voie, a mis au point une expérience dite Advanced Proton Driven Plasma Wakefield Acceleration Experiment (AWAKE).
Celle-ci consiste à envoyer un ensemble de centaines de milliards de protons dans un tube emplis d'atomes de rubidium dépourvus de leurs électrons, ce qui en fait un plasma.
Le plasma est un des 4 états de la matière, avec l'état solide, liquide et gazeux.  C'est un état désordonné, constitué de charges électriques libres dans un champ de force et ayant une durée de vie longue comparée aux temps caractéristiques des déplacements. La matière devient un plasma quand elle est chauffée à très haute température (environ 2 000°) ou soumise à un champ magnétique intense. La couronne solaire est un plasma.

Dans AWAKE, le plasma de rubidium fait éclater le flux de protons en petits groupes, lesquels en se déplaçant dans le plasma forment des vagues analogues à celles produites par un speedboat dans un lac. Lorsque des électrons sont injectés dans le tube, ils se trouvent pris dans les vagues et accélérés.

Schéma de l'expérience AWAKE
Schéma du dispositif de l'expérience AWAKE
(cliquer sur l'image pour l'agrandir)


L'accélération se produisant d'un seul coup, elle ne demande pas beaucoup d'espace. Le tube à plasma n'a que 10 m de long et les électrons y sont accélérés à des énergies de 2 gigaelectronvolts (GeV). Mais pour que l'on puisse les faire se collisionner, ou entrer en collision avec des quarks, il faudra des énergies bien plus élevées, autour de centaines de GeV.
Faire se rencontrer des quarks avec des électrons pourrait faire éclater et révéler des états de la matière encore inconnus.

Les quarks sont des particules élémentaires qui s'associent pour former des hadrons, neutrons ou protons
Mais ils ne peuvent être isolés, ce qui ne permet pas de les observer.

 

Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) va devenir Grand collisionneur de hadrons à haute luminosité (HL-LHC)

Objectif : étendre la portée du LHC pour étudier la physique des particules toujours plus finement.

L'ouverture de ce chantier a été annoncée le 15 juin dernier à Genève, pour une facture de 820 millions d'euros, avec la participation du CERN et des pays extérieurs à l’organisation. Les travaux sont prévus sur une durée de 8 ans.
Le LHC amélioré continuera de produire des collisions produisant une énergie de l'ordre de 13 téra-électrons-volts (comme auparavant, voire monter à 14 Tev ce qui était prévu dans la mouture précédente) et les faisceaux de protons circuleront aux mêmes vitesses.  Mais ces derniers seront mieux focalisés, donc plus intenses - on s'attend à une luminosité multipliée par 5, voire 7 - et produiront dix fois plus de collisions que la version actuelle.

En tout, deux tronçons de 600 m intégrants le couloir circulaire du LHC seront remplacé, et plus de 200 nouveaux composants innovants (parmi eux,  des aimants, des collimateurs et des cavités radiofréquence...) seront connectés à l’installation existante d’ici moins de dix ans. Des aimants plus performants (en niobium-étain autoriseront des champs magnétiques de 11 à 13 tesla, contre 8,3 actuellement. Placés en amont des détecteurs CMS et Atlas, ils permettront, notamment, de compacter le faisceau de paquets.

Optimisation du LHC. De nombreux équipements, dont certains totalement innovants, sont développés.
Pour mener à bien cette amélioration majeure du LHC, les scientifiques et les ingénieurs optimisent tous les paramètres du collisionneur. De nombreux équipements, dont certains totalement innovants, sont développés. - Image: CERN - Cliquer sur l'image pour l'agrandir



Voir la vidéo : "The road to High Luminosity: what's next for the LHC?

L'utilisation d'algorithmes de machine learning pour le traitement massif des données ?
Le CERN est déjà pionnier dans le traitement des données massives par l'utilisation des grilles de calcul. Devant la montée en puissance attendue des données recueillies (qui vont rapidement dépasser l'exabyte, soit un milliard de milliards d'octets), le recours à l'intelligence artificielle est aussi une piste et on s'attend à ce que l'utilisation de nouveaux algorithmes de machine learning ne cesse de se développer dans le domaine(1).
 
Jean-Paul Baquiast et Christophe Jacquemin


 
puce note Notes
(1) Voir par exemple "Deep Learning and Its Application to LHC Physics", article de Dan Guest, Kyle Crammer et Daniel Whiteson, publié ArXiv, 29 juin 2018.

Voir aussi le mandat du LHC Machine Learning Working Group (CERN) et sa page d'accueil.
puce note Sources
"Acceleration of electrons in the plasma wakefield of a proton bunch",
par  E. Adli, A. Ahuja, O. Apsimon, R. Apsimon et al.
Article accepté pour publication par Nature, le 29 août 2018
Abstract :
High-energy particle accelerators have been crucial in providing a deeper understanding of fundamental particles and the forces that govern their interactions. To increase the energy or to reduce the size of the accelerator, new acceleration schemes need to be developed.
Plasma wakefield acceleration, in which the electrons in a plasma are excited, leading to strong electric fields, is one such promising novel acceleration technique. Pioneering experiments have shown that an intense laser pulse or electron bunch traversing a plasma drives electric fields of tens of gigavolts per metre and above. These values are well beyond those achieved in conventional radio-frequency accelerators, which are limited to about 0.1 gigavolt per metre.
A limitation of laser pulses and electron bunches is their low stored energy, which motivates the use of multiple stages to reach very high energies5,12. The use of proton bunches is compelling, as they have the potential to drive wakefields and accelerate electrons to high energy in a single accelerating stage.
The long proton bunches currently available can be used, as they undergo a process called self-modulation, a particle–plasma interaction which longitudinally splits the bunch into a series of high-density microbunches, which then act resonantly to create large wakefields. The Advanced Wakefield (AWAKE) experiment at CERN uses intense bunches of protons, each of energy 400 gigaelectronvolts (GeV), with a total bunch energy of 19 kilojoules, to drive a wakefield in a 10-metre-long plasma.
Bunches of electrons are injected into the wakefield formed by the proton microbunches. Here we present measurements of electrons accelerated up to 2 GeV at the AWAKE experiment. This constitutes the first demonstration of proton-driven plasma wakefield acceleration. The potential for this scheme to produce very high-energy electron bunches in a single accelerating stage20 means that the results shown here are a significant step towards the development of future high-energy particle accelerators.


 
puce note Voir aussi
L’énergie nucléaire a-t-elle encore un avenir ?, Editorial du Sénateur René Trégouet, Lettre RT Flash du 21/09/2018
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