Au CERN, un LHC plus grand et plus lumineux

Dans le grand tunnel du LHC. Contrôle d’un collimateur, qui permet de rétrécir le faisceau de particules. © 2018 CERN

Le plus grand accélérateur-collisionneur de particules du monde fait l’objet d’une importante mise à niveau. Objectif: booster d’ici 2026 la puissance de la machine géante du CERN, près de Genève, dans l’espoir de percer de nouveaux mystères de la physique.

Le Large Hadron Collider (LHCLien externe) court dans un tunnel circulaire de 27 kilomètres, à cheval sous la frontière franco-suisse. Le mois dernier, deux cérémonies – une dans chaque pays – ont marqué le début des travaux qui doivent en faire un grand collisionneur à haute luminosité (HL-LHCLien externe)

Qu’est-ce que le LHC?

Depuis 2010, les physiciens y font se tamponner les uns contre les autres des faisceaux de particules lancés à une vitesse proche de la lumière. Pourquoi? Ces collisions de protons à haute énergie sont très utiles pour étudier la physique des particules, mais aussi la matière sombre, l’antimatière et d’autres secrets de l’univers.

C’est au CERN que les chercheurs ont trouvé la preuve de l’existence du boson de HiggsLien externe, prédite par la théorie. Sans cette particule, les autres ne tiendraient pas ensemble et la matière telle que nous la connaissons n’existerait simplement pas.

Vue aérienne de la région sous laquelle court le tunnel du LHC, avec le Lac Léman et les Alpes en arrière-plan. © 2008-2018 CERN (License: CC-BY-SA-4.0)

Comment fonctionne le LHC?

Dans un tunnel de 27 kilomètres de circonférence, enfoui 100 mètres sous terre, des protons à haute énergie circulent en sens inverse dans deux tubes sous vide d’air. On les fait se collisionner pour révéler la trace de particules exotiques. Les faisceaux contiennent des milliards de protons (particule composant le noyau des atomes). Ils voyagent à une fraction de la vitesse de la lumière et sont guidés par des milliers d’aimants supraconducteurs.

A quatre endroits de la boucle, les faisceaux quittent leur tube et viennent se fracasser les uns contre les autres. Ce sont les «expériences» principales du LHC, immenses détecteurs qui enregistrent les traces des collisions. On les nomme par leurs acronymes: ALICE, ATLAS, CMS, et LHCb.

Les détecteurs mesurent les nouvelles particules générées par les collisions – jusqu’à un milliard de rencontres proton-proton par seconde. En analysant ces collisions, les physiciens du monde entier approfondissent notre compréhension des lois de la nature.

Pourquoi le LHC doit-il être mis à niveau?

Les physiciens espèrent qu’en augmentant les performances du LHC et le nombre de collisions dans les expériences, ils multiplieront les probabilités de découvrir des phénomènes rares.

L’énergie est un paramètre important pour les accélérateurs de particules. Jusqu’ici, le collisionneur le plus puissant du monde a atteint des énergies de collision de 13 terra électron volts (TeV). 1 TeV correspond à l’énergie de mouvement d’un moustique en vol. Mais ce qui rend le LHC si fascinant, c’est qu’il comprime cette énergie dans un espace environ un milliard de fois plus petit qu’un moustique. A partir de 2020, les scientifiques espèrent atteindre des énergies de 14 TeV avec le LHC – un maximum pour la machine.

Mais ce qui est tout aussi important, c’est le taux de collisions, ou la «luminosité». Le but est de la multiplier par un facteur cinq à sept, ce qui permettra de décupler les données récoltées entre 2026 et 2036.

«En ayant plus de lumière – plus de collisions – nous pourrons voir beaucoup mieux de qu’il y a là-dedans», a expliqué  Lucio Rossi, chef du projet HL-LHC.

Les travaux de génie civil pour le HL-LHC ont démarré au CERN en avril 2018. © 2018 CERN

A quelles découvertes s’attendent les physiciens?

La mise à niveau en HL-LHC permettra de définir plus précisément les propriétés du boson de Higgs et de mesurer plus finement comment il est produit, comment il interagit avec les autres particules et comment il se décompose. Selon le CERN, la haute luminosité permettra de produire 15 millions de bosons de Higgs par année au lieu des 3 millions enregistrés en 2017.

Les chercheurs devraient également être en mesure d’explorer des scénarios au-delà du Modèle standardLien externe de la physique des particules – qui est actuellement la meilleure théorie pour expliquer comment fonctionne l’univers – comme la supersymétrieLien externe ou les dimensions supplémentairesLien externe.

Comment parvenir à cette plus grande luminosité?

Pour augmenter la luminosité, les scientifiques vont comprimer les faisceaux de particules aux quatre points de collisions. Pour cela, le HL-LHC aura besoin de 130 nouveaux aimants. Ils seront faits d’un composé supraconducteur niobium-étainLien externe, qui sera utilisé pour la première fois dans le LHC, et qui permet de générer un champ magnétique plus puissant que l’alliage classique niobium-titane.

On installera également seize «cavités-crabeLien externe» afin d’incliner les faisceaux avant la rencontre et d’augmenter ainsi les chances de collisions.

Contrôle d’une «Cavité crabe» en août 2017. © 2017-2018 CERN

Quel travail représente cette mise à niveau?

En tout, ce sont plus de 1,2 kilomètre de la machine actuelle qui devront être remplacés par des composants high-tech. Les travaux de génie civil ont commencé sur deux sites en Suisse et en France pour construire de nouveaux bâtiments, creuser des puits, des cavernes et des galeries souterraines. L’ensemble des travaux doit coûter environ un milliard d’euros. 29 institutions de 13 pays collaborent au projet.

Le LHC et les recherches en cours s’arrêteront-ils pendant les travaux?

Pendant les travaux de génie civil, le LHC va continuer à tourner, avec deux interruptions (2019-2020 et 2024-2026) pour les installations techniques et les activités de maintenance.

Qu’est-ce que le HL-LHC peut apporter à la société?

En plus d’augmenter le potentiel de nouvelles découvertes en physique et de former de nouveaux scientifiques, on espère que le HL-LHC mènera à la création de nouvelles technologies, spécialement dans le domaine de l’ingénierie électrique, comme les supraconducteurs et les technologies du vide. Les supraconducteurs ont de nombreuses applications, dans l’imagerie médicale et le traitement du cancer per exemple. Des entreprises européennes examinent également la possibilité d’utiliser des câbles en diborure de magnésium comme ceux du HL-LHC pour transporter l’électricité sur de longues distances.

(Traduction de l’anglais: Marc-André Miserez)