Comment le CERN synchronise-t-il les chronomètres ?

Le grand collisionneur de hadrons mesure 17 miles (27 kilomètres) de circonférence. C'est le plus grand accélérateur de particules au monde et sa construction a coûté plus de 10 milliards de dollars. Mais ce n'est qu'une des nombreuses technologies étonnantes que les scientifiques du CERN utilisent dans leurs recherches en physique. Le CERN exploite un certain nombre d'accélérateurs linéaires et circulaires et d'autres installations, comme un séparateur de masse et un décélérateur d'antiprotons, pour mener des recherches en physique. Dans certains cas, les tests au CERN sont effectués sur de grandes distances : des neutrinos sont régulièrement transmis du CERN au Laboratoire national italien du Gran Sasso (LNGS) à 450 miles (724 kilomètres) de distance.

Lorsque les accélérateurs de particules diffusent de la matière sur de grandes distances à la vitesse de la lumière, ils doivent naturellement être chronométrés avec une précision presque parfaite. Malgré la distance mentionnée ci-dessus, la vitesse de ces neutrinos a pu être mesurée à 10 nanosecondes près. Comment le CERN gère-t-il ce genre de précision ? Ils utilisent le GPS, les horloges atomiques et tout un tas de câbles optiques pour mettre en réseau une vaste gamme de technologies.

Les scientifiques du CERN ont rédigé des articles détaillés et complexes expliquant le fonctionnement interne de leurs systèmes de chronométrage. Les fréquences des signaux, les systèmes de mesure et les équations de précision ne sont que quelques-uns des éléments des rapports du CERN que les scientifiques mangent et que le reste d'entre nous froncent les sourcils, y compris celui qui détaille l'étalonnage de la liaison horaire GPS entre le CERN et le LNGS .

Voici la version courte : lors de la mesure de la vitesse des neutrinos voyageant du CERN au Laboratoire national du Gran Sasso (LNGS), les scientifiques doivent synchroniser précisément leurs instruments. Ainsi, les mesures GPS d'une impulsion par seconde (PPS) sont horodatées avec un système de mesure appelé CTRI, qui est basé sur l' horloge atomique liée aux deux laboratoires et couplée à un système GPS. Ces horodatages peuvent ensuite être comparés entre les deux emplacements, et la différence de temps révèle le temps de vol des neutrinos. Cela semble assez simple, non ?

Eh bien, les configurations nécessitent toujours toutes sortes de tests pour garantir la précision et les équations pour tenir compte des marges d'erreur inévitables. Les récepteurs utilisés par le CERN pour communiquer avec le LNGS sont certifiés par l' Office fédéral de la métrologie . Parce qu'ils ont affaire à des chiffres aussi précis, même la position d'une antenne et les câbles utilisés peuvent fausser les résultats.

Le Large Hadron Collider utilise une technologie appelée WorldFIP pour synchroniser les systèmes en 10 nanosecondes. WorldFIP est un bus de terrain, une technologie utilisée pour mettre en réseau un grand nombre de systèmes, ce dont le LHC a évidemment besoin. Comme les systèmes de chronométrage utilisés pour coordonner la poursuite des neutrinos entre le CERN et le LNGS, WorldFIP est relié à un système GPS. Les données de ce système sont transmises aux équipements du Large Hadron Collider pour que tout soit synchronisé avec le temps universel.

Grâce à une horloge maîtresse basée sur un oscillateur, le CERN peut fournir à ses équipements des données temporelles avec une précision d'une nanoseconde. L'une des tâches les plus difficiles du système WorldFIP consiste à synchroniser 1 800 convertisseurs de puissance à moins d'une milliseconde. Il sert également à synchroniser la surveillance du rayonnement, le positionnement des aimants, la cryogénie et d'autres systèmes du LHC.

Bien sûr, tous les systèmes du Large Hadron Collider ne doivent pas être aussi précis. Certains ont une marge de manœuvre de dizaines voire de centaines de millisecondes. Considérant que l'installation est si énorme et remplie de certaines des technologies les plus complexes au monde, c'est toujours assez impressionnant.

Oups !

Lorsque le CERN a annoncé en septembre 2011 qu'il avait peut-être trouvé des preuves que des neutrinos se déplaçaient plus vite que la vitesse de la lumière, il a secoué le monde scientifique et déclenché une vague de discussions théoriques sur le "et si". Une enquête plus approfondie et des tests en double ont révélé deux mécanismes défectueux qui ont rendu les conclusions initiales non substantielles : un composant défectueux dans le système GPS et un circuit à fibre optique défectueux. Vous gagnez à nouveau, vitesse de la lumière !

Les systèmes de chronométrage du CERN sont l'une des choses les plus complexes sur lesquelles j'ai fait des recherches. C'est en partie parce qu'il n'y a pas de système unique à l'œuvre dans tous les nombreux accélérateurs de particules du CERN - différentes installations ont des exigences différentes - et la précision des systèmes de chronométrage se résume à la nanoseconde. La plus grande surprise : Même le plus petit réglage d'une antenne peut avoir un impact sur la synchronisation des dispositifs de chronométrage.

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Sources