La fusion proton-proton se produit à des énergies d'environ 15 keV. Le LHC fonctionne actuellement à une énergie de 13 TeV, ce qui est littéralement un milliard de fois plus grand. La fusion est l'un des processus à énergie la plus basse qui pourrait se produire au LHC, et la plupart des réactions intéressantes qui y sont étudiées vont au-delà de la fusion nucléaire .

Un proton est constitué de morceaux de matière fondamentaux, ponctuels, appelés quarks, maintenus ensemble par des porteurs de force appelés gluons. Ces quarks sont liés par une certaine énergie de liaison ; les quarks sont également relativement légers, de sorte que cette énergie de liaison constitue en fait la majeure partie de la masse du proton. En d'autres termes, l'énergie de liaison du proton est à peu près égale à la masse du proton.

Lorsque vous heurtez des protons à une énergie bien inférieure à sa masse, le proton agit comme un objet unique. C'est le régime dans lequel la physique nucléaire se produit généralement; toutes les réactions qui séparent les noyaux, et l'énergie qui les maintient ensemble, sont généralement suffisamment petites pour que cela fonctionne pour traiter le proton comme une seule unité la plupart du temps. Cela comprend la fusion nucléaire; la masse du proton est de 938 MeV, et la quantité d'énergie requise pour la fusion nucléaire (15 keV, comme nous l'avons dit) est des dizaines de milliers de fois plus petite que cela.

Si nous décidons plutôt de faire heurter des protons à des énergies supérieures à quelques fois la masse des protons, alors il y a maintenant assez d'énergie dans la réaction pour que les quarks à l'intérieur des protons interagissent les uns avec les autres directement. Nous ne pouvons plus traiter les protons comme des objets uniques, car l'énergie impliquée dans la réaction suffit à exposer ses composants internes. À mesure que l'énergie de collision devient de plus en plus élevée, l'énergie de liaison du proton devient de moins en moins pertinente, et l'image de deux nuages ​​denses de quarks et de gluons interagissant devient de plus en plus précise. Ces réactions ont suffisamment d'énergie pour produire toutes sortes de matières exotiques, des particules que vous ne pourriez jamais trouver dans un noyau, ni les créer par fusion nucléaire. L'énergie actuelle du LHC est environ dix mille fois supérieure à la masse du proton; à ces énergies, la masse du proton et l'énergie de liaison sont complètement négligeables, et les réactions intéressantes sont entièrement entraînées par des quarks et des gluons individuels interagissant les uns avec les autres. Le proton est simplement un moyen pour nous de livrer des morceaux de matière fondamentale sur le site de la collision. S'il y avait un moyen de simplement heurter des quarks libres et des gluons libres, sans tout le désordre généré par le proton, de nombreux physiciens des particules sauteraient sur l'occasion. (Malheureusement, cela s'avère impossible.)

Il y a certainement beaucoup de physique extrêmement intéressante à faire à l'échelle de la physique nucléaire, et notre compréhension de la dynamique des noyaux fait l'objet de nombreuses recherches actives dans d'autres expériences.Mais ce n'est tout simplement pas ce que les collisions proton-proton au LHC sont censées explorer.Les collisions proton-proton sont en fait mieux considérées comme des collisions quark-quark , ou des collisions quark-gluon , ou des collisions gluon-gluon .Ils ne sont pas destinés à étudier les protons, c'est pourquoi les protons sont souvent totalement détruits lors de la collision, transformés en matière exotique qui se désintègre ensuite en matière ordinaire.Les collisions proton-proton visent à tirer des conclusions sur les interactions des particules fondamentales, ce qui nécessite une accélération à des énergies extrêmement élevées, bien au-dessus de ce dont vous auriez besoin ou que vous voudriez pour la fusion nucléaire.

Alors, étant donné cela, pourquoi les physiciens du LHC ne s'inquiètent-ils pas du déclenchement de la fusion nucléaire? La réponse est assez simple: bien que chaque proton individuel ait une énergie un milliard de fois plus grande que le seuil de fusion, la quantité totale d’énergie qui est libérée dans la zone environnante est toujours plutôt gérable, à une échelle macroscopique. Après tout, 13 TeV ne représente encore qu'environ un microjoule d'énergie, soit environ un milliard de fois moins que la quantité d'énergie que le Soleil transmet à un mètre carré de Terre chaque seconde. Cela dit, il y a environ 600 millions de collisions par seconde, vous ne voulez donc certainement pas vous tenir à proximité du point d'interaction. Cela est d'autant plus vrai que les particules individuelles de rayonnement émises ont une énergie moyenne beaucoup plus élevée, ce qui signifie qu'elles sont beaucoup plus méchantes en termes de dommages à la vie et aux objets inanimés que le rayonnement du Soleil. Pour cette raison, l'électronique du détecteur doit être spécialement conçue pour faire face à cet environnement à rayonnement extrêmement élevé; L'accès humain au matériel expérimental est également très étroitement contrôlé, et est totalement interdit lorsque l'accélérateur est en marche. Mais en fin de compte, nous parlons d'environ quelques kilowatts, tout au plus, de rayonnement émis dans l'environnement à chaque site de collision. C'est une quantité d'énergie à taille humaine et équivaut à peu près à la puissance de chauffage d'un grand radiateur (mais, encore une fois, sous une forme beaucoup plus dommageable que la chaleur dégagée par un radiateur). C'était par conception - le taux de collision au LHC a été choisi en partie pour qu'il soit possible de construire un détecteur capable de résister à l'afflux de rayonnement. Les explosions nucléaires nécessitent beaucoup, beaucoup de réactions qui se produisent toutes en même temps, c'est pourquoi elles ont un tel pouvoir destructeur. Le LHC heurte au plus quelques protons individuels à la fois.

Donc, compte tenu de tout cela, le LHC ferait un terrible réacteur à fusion.Son énergie est beaucoup trop élevée pour déclencher la fusion nucléaire de manière fiable, et l'énergie libérée lors de collisions est minuscule par rapport à l'énergie nécessaire pour maintenir les faisceaux en marche, elle serait donc incroyablement inefficace.

Comme indiqué dans les commentaires, l'énergie dans le LHC est très élevée. Suffisamment élevé pour que les interactions soient avec des partons à l'intérieur du proton, où un parton est l'un des 3 quarks de valence (u, u, d), ou l'un des nombres divergents de quarks marins, d'antiquarks ou de gluons.

Une réaction de fusion telle que:

$$ p + p \ rightarrow d + W ^ + \ rightarrow d + e ^ + + \ nu_e $$

est peu probable car l'état initial implique 2 protons cohérents, et l'état final implique un deutéron lié cohérent et 2 leptons ponctuels.

La dépendance énergétique d'une telle réaction peut être considérée avec les règles de comptage des constituants: en gros, on compte le nombre, $ n $ , de particules ponctuelles participant à la réaction et obtenez:

$$ \ sigma \ propto \ frac 1 {s ^ {n-2}} $$

où $ s $ est le centre de l'énergie de masse au carré. Avec 6 quarks dans les états initial et final plus un boson W dans l'état final, vous obtenez:

$$ \ sigma \ propto \ frac 1 {s ^ {11}} \ propto \ frac 1 {E ^ {22}} $$

Il s'agit essentiellement d'une mise à l'échelle dimensionnelle: le deutéron et chaque proton sont une collection non interagissante de particules ponctuelles, compressées en un disque plat par contraction de Lorentz. La probabilité que chaque constituant soit proche dépend de la longueur d'onde au carré, ou $ E ^ 2 = s $ .

En d'autres termes: la longueur d'onde de De Broglie à 7 TeV est de 0,000029 fm (un proton mesure environ 1,6 fm de diamètre), vous devez donc sélectionner le morceau de la fonction d'onde de proton qui a tous les quarks qui se rapprochent, pour chaque proton, et pour les nucléons de l'état final aussi ... et vous avez également besoin d'un boson W dans ce petit disque. Tout le reste et les états initiaux ou finaux sont détruits.

Étant donné que la température au cœur du Soleil est de 1,25 keV et que $ \ sqrt s = 14 TeV $ au LHC, la fusion doit être supprimée par:

$$ f = \ big [\ frac {1.25 \, {\ rm keV}} {7 \, {\ rm TeV}} \ big] ^ {22} \environ 10 ^ {- 221} $$

De plus, la demi-vie d'un proton du noyau solaire est d'environ 5 milliards d'années, dans une "soupe" d'une densité de 100 grammes par cc.Pour comparer cela avec le point d'interaction du LHC, il faudrait connaître la taille du spot et le cycle de service ... mais il suffit de dire que l'échelle de temps pour une seule réaction de fusion est de l'ordre de l'espérance de vie de notre Univers (par rapport à la mort thermique), plus ou moins 10 $ ^ {100} $ .

Un fait expérimental simple concernant le LHC est que toutes les réactions des protons sur les protons se produisent dans le vide.Comme l'expliquent les autres réponses, l'énergie dans les faisceaux est trop élevée pour permettre aux deux protons de fusionner en deutons, au lieu de cela l'énergie «fusionne» pour générer les particules étudiées dans les expériences.Les trajectoires de ces particules passent par des détecteurs déposant de l'énergie afin de pouvoir étudier l'interaction principale.

Et comme corollaire, peuvent-ils réutiliser le CERN pour devenir un réacteur à fusion?

Un réacteur signifie que plus d'énergie sortira puis dépensera pour générer les faisceaux, ce qui n'est pas possible avec la conception du LHC, qui fonctionne avec des énergies élevées.Il existe des expériences pour la fusion de faisceaux en collision, et les collisions proton proton ne sont pas leur choix.

(Clause de non-responsabilité: je ne suis pas physicien. Toutes les corrections nécessaires seront dûment intégrées.)

Les autres explications sont bonnes, mais pour ceux qui veulent quelque chose d'un peu plus au niveau du profane, je propose ceci:

Si vous craignez qu'une expérience n'entraîne une réaction incontrôlable qui finit par détruire beaucoup de choses, cela devrait vous aider à comprendre pourquoi ce n'est pas un problème.

Les réactions de fusion qui se produisent au centre des étoiles (comme notre soleil) nécessitent des températures et des pressions immenses, et ces pressions doivent être maintenues suffisamment longtemps pour que la réaction ait lieu et que l'énergie qui en découle soit contenue cela peut aussi faire réagir les réactifs plus proches.

Au centre d'une étoile (comme notre soleil), ce n'est pas un problème. Les températures et pressions sont présentes, et sont contenues par le poids de tout le matériau stellaire qui l'entoure. La libération d'énergie par la réaction est également contenue à un degré élevé (une partie, après quelques milliers d'années, s'échappe et devient la lumière qui brille sur nous). De plus, il y a beaucoup de matière n'ayant pas réagi (protons et électrons libres), qui participent à la réaction continue. Il faut également comprendre qu'au centre d'une étoile il n'y a vraiment pas de réaction d'emballement; les choses se déroulent à un rythme très régulier qui est étonnamment lent. Il faudra des milliards d'années au Soleil pour arriver au point où cette réaction cesse.

Dans une bombe à hydrogène - qui est une réaction incontrôlable - le processus commence par une petite explosion nucléaire (à partir d'un appareil à fission), qui crée la température et la pression initiales requises pour la fusion, et il y a une grande quantité de fusion matériau (hydrogène et lithium, si je comprends bien ces choses), qui est chauffé et pressurisé par la bombe à fission au point que les réactifs de fusion peuvent fusionner. Ceci n'est contenu que par l'inertie du matériau de fusion, mais cela fait le travail aussi longtemps que nécessaire. Boum.

Dans le réacteur du CERN, l'énergie initiale est suffisante pour élever seulement une petite quantité de matière aux températures nécessaires, donc il y a moins d'énergie originale pour commencer.

En plus de cela, quel que soit le matériau fusible qui se trouve dans la cible, il y en a beaucoup moins. Cela signifie qu'il y a moins de fusion totale possible, et aussi beaucoup moins de confinement momentané de l'inertie des matériaux cibles.

Il n'y a pas d'autre source de confinement qui préservera les conditions requises pour que la réaction se poursuive. Au lieu d'être maintenue en place pour aider la réaction à continuer, une grande partie de l'énergie de libération s'échappe. En fait, la principale raison pour laquelle nous n'avons pas la fusion nucléaire comme source d'énergie possible est parce que nous n'avons pas de tels moyens de confinement.

En conséquence, au lieu de tout un tas de matière fusible devenant soudainement assez chaude pour fusionner et en libérant une énorme quantité d'énergie, une petite quantité de matière se réchauffe, subit toute réaction possible puis explose en un très minuscule éclatement, et c'est la fin de la réaction. Sauf erreur de ma part, les pétards que vous pouvez acheter sur de nombreux bords de route sont plus puissants. Ses effets n'échappent pas à cet environnement.

Et comme corollaire, peuvent-ils réutiliser le CERN pour devenir un réacteur à fusion ?

En théorie, oui.Cependant, les systèmes de fusion pilotés par accélérateur, plus généralement connus sous le nom de fusion de faisceaux en collision, présentent un certain nombre de problèmes purement théoriques qui suggèrent qu'il ne sera jamais un système à énergie positive.

En tant que système purement expérimental pour étudier la fusion, le CERN fonctionnerait.Mais il en serait de même pour des machines beaucoup plus petites qui coûtent des ordres de grandeur moins élevés :-)