Exploration du LHC

Le Grand collisionneur de hadrons : une machine à explorer l’infiniment petit

Imaginez un anneau souterrain de 27 kilomètres de circonférence, plus grand que le périphérique parisien, où des particules plus petites qu’un atome filent à une vitesse proche de celle de la lumière. Bienvenue dans l’univers du Grand collisionneur de hadrons (LHC), l’instrument scientifique le plus puissant jamais construit par l’humanité.

Situé à cheval entre la France et la Suisse, près de Genève, le LHC du CERN représente l’aboutissement de décennies de recherche en physique des particules. Le Grand collisionneur de hadrons redémarre régulièrement après des périodes de maintenance et d’amélioration, témoignant de l’évolution constante de cette technologie de pointe.

Mais pourquoi construire une telle machine ? La réponse tient en quelques mots : comprendre les briques fondamentales de notre univers. Comme l’explique le CERN dans sa mission, il s’agit de « sonder la structure fondamentale de la matière qui compose tout ce qui nous entoure » en utilisant « les instruments scientifiques les plus grands et les plus complexes du monde ».

Le LHC, mis en fonction en 2008, n’est pas parti de rien. Il a été construit dans le tunnel circulaire de son prédécesseur, le collisionneur LEP, mais avec une différence majeure : là où le LEP accélérait des électrons et des positons, le LHC propulse des protons – d’où son nom, puisque les protons appartiennent à la famille des hadrons.

Une puissance de collision inégalée

Les chiffres du LHC donnent le vertige. Les protons y sont accélérés jusqu’à une énergie de 7 TeV (téraélectronvolts) chacun, soit une énergie totale de collision de 14 TeV lorsque deux faisceaux se percutent de plein fouet. Pour vous donner une idée de cette puissance, c’est comme si deux TGV lancés à pleine vitesse se télescopaient, mais concentrés dans un espace des milliards de fois plus petit.

Le LHC ne se contente pas des protons. Il peut également accélérer des ions lourds comme le plomb, atteignant alors une énergie de collision phénoménale de 1150 TeV pour le noyau entier, soit 2,75 TeV par nucléon. Ces collisions extrêmes permettent de recréer des conditions similaires à celles qui régnaient dans l’univers quelques microsecondes après le Big Bang.

Cette puissance fait du LHC l’accélérateur de particules le plus puissant construit à ce jour, et même « le plus grand dispositif expérimental jamais construit pour valider des théories physiques ». Une performance qui n’a cessé de s’améliorer : le collisionneur a bénéficié d’une upgrade majeure achevée en 2015 après deux ans d’arrêt, et la chaîne des accélérateurs se prépare à la haute luminosité.

Huit yeux pour observer l’invisible

Faire collisionner des particules, c’est bien. Observer ce qui se passe lors de ces collisions, c’est mieux. C’est pourquoi huit détecteurs sophistiqués sont installés le long de l’anneau du LHC, dont quatre de très grande taille : ATLAS, CMS, TOTEM, LHCb, ALICE, LHCf, MoEDAL et FASER.

Chaque détecteur a sa spécialité :

• ATLAS et CMS sont les détecteurs généralistes géants, conçus pour capturer le maximum d’informations sur les collisions
• LHCb se concentre sur l’étude des particules contenant des quarks beaux
• ALICE analyse les collisions d’ions lourds pour étudier le plasma de quarks et de gluons
• Les autres détecteurs ont des missions plus spécialisées, de l’étude des rayons cosmiques à la recherche de nouvelles particules

Ces « yeux électroniques » génèrent des quantités astronomiques de données : chaque seconde, des millions de collisions sont analysées, triées et stockées. Un défi technologique qui dépasse largement le cadre de la physique des particules et nourrit l’innovation en informatique distribuée et en analyse de big data.

Le triomphe du boson de Higgs et les limites du modèle standard

L’année 2012 restera gravée dans l’histoire de la physique. C’est cette année-là que le LHC a confirmé l’existence du boson de Higgs, cette particule théorisée depuis les années 1960 et surnommée « particule de Dieu » par les médias. Cette découverte a valu le prix Nobel de physique à Peter Higgs et François Englert en 2013.

Le boson de Higgs était la pièce manquante du modèle standard de la physique des particules, cette théorie qui « décrit de façon remarquablement précise la physique des particules ». Avec cette découverte, le modèle standard était enfin complet… du moins en apparence.

Car si le modèle standard « décrit parfaitement les observations réalisées jusqu’à présent », comme l’explique cet article du Point, « de nombreuses questions fondamentales restent encore sans réponse ».

Quelles sont ces zones d’ombre qui échappent encore à notre compréhension ?

• La matière noire : elle représente 80% de la masse des galaxies, mais nous ne savons toujours pas de quoi elle est faite
• L’antimatière : pourquoi l’univers est-il composé principalement de matière et non d’antimatière ?
• Les neutrinos : ces particules fantômes qui traversent la matière sans interagir restent mystérieuses
• Les propriétés du boson de Higgs : même découvert, il cache encore de nombreux secrets

Le futur collisionneur circulaire : voir plus loin, plus précisément

Face à ces défis scientifiques, le CERN ne compte pas s’arrêter en si bon chemin. L’organisation européenne a franchi « une étape décisive dans son nouveau projet d’accélérateur de particules géant, le Futur collisionneur circulaire (FCC) », prévu à l’horizon 2047.

Les dimensions du FCC donnent le vertige : un anneau de 90,7 kilomètres de circonférence (contre 27 km pour le LHC actuel), situé à une profondeur moyenne de 200 mètres. Pour vous représenter cette taille, imaginez un cercle qui engloberait une bonne partie du bassin lémanique, avec huit sites en surface dont sept en France et un en Suisse.

Patrick Janot, physicien au CERN depuis 1987 et très impliqué dans ce projet, résume l’ambition : « Notre mission au CERN est d’essayer de décrire l’origine microscopique de l’univers et son évolution depuis le début des temps jusqu’à la fin des temps ».

Le FCC se distingue par son approche en deux phases complémentaires :

Cette stratégie à double détente est particulièrement astucieuse : les mesures de précision du FCC-ee pourraient prédire l’existence de nouvelles particules ou phénomènes, que le FCC-hh pourrait ensuite découvrir grâce à son énergie six fois supérieure à celle du LHC actuel.

Les défis technologiques et environnementaux

Un projet de cette ampleur ne va pas sans défis. L’étude de faisabilité récemment publiée confirme la possibilité technique du FCC, mais révèle aussi l’ampleur des obstacles à surmonter.

Le défi technologique est immense. Pour atteindre les 120 TeV espérés avec le FCC-hh, il faudra développer une nouvelle génération d’aimants supraconducteurs encore plus puissants que ceux du LHC. Ces aimants, refroidis à des températures plus froides que l’espace intersidéral, devront générer des champs magnétiques d’une intensité inégalée pour courber la trajectoire des particules dans l’anneau géant.

La question environnementale préoccupe légitimement. Le CERN a pris soin de réduire l’impact du projet : le nombre de puits d’accès a été ramené de 12 à 8, et la distance entre deux puits sera de 12 kilomètres. Quatre points serviront aux expériences où les faisceaux entreront en collision, quatre autres aux services techniques.

Côté consommation électrique, les chiffres sont éclairants :

• CERN actuel : 1,3 TWh par an
• FCC-ee : entre 1,1 et 1,8 TWh par an (comparable à l’existant)
• FCC-hh : objectif de maintenir la consommation sous les 2 TWh

Malgré ces précautions, des associations environnementales dénoncent un « projet démesuré » et s’inquiètent de son impact sur l’environnement et les territoires. Un débat légitime qui devra accompagner les prochaines étapes du projet.

Vers une nouvelle révolution scientifique ?

Au-delà des controverses, le FCC représente « l’outil le plus efficace que l’on puisse construire aujourd’hui pour tenter d’expliquer au niveau microscopique les phénomènes observés à ce jour dans l’univers, au-delà du modèle standard de la physique des particules », selon Patrick Janot.

L’histoire nous enseigne que les grandes découvertes en physique fondamentale finissent toujours par transformer notre quotidien. Le World Wide Web est né au CERN dans les années 1990 pour permettre aux physiciens de partager leurs données. L’imagerie médicale, les technologies de l’information, les nouveaux matériaux : autant d’innovations qui trouvent leurs racines dans la recherche fondamentale.

Le LHC actuel continue de fonctionner et de livrer ses secrets. Sa montée en puissance vers la haute luminosité promet encore de belles découvertes dans les années à venir. Mais l’horizon 2047 du FCC rappelle une vérité : la quête de la connaissance ne s’arrête jamais.

Dans un monde de plus en plus soucieux de souveraineté technologique, l’Europe peut être fière de porter cette ambition scientifique. Le CERN, organisation internationale née de la coopération européenne, montre qu’il est possible de mener des projets d’envergure planétaire tout en préservant l’indépendance technologique et scientifique.

Reste à savoir si les défis du FCC seront relevés. Une chose est sûre : les réponses aux grandes questions de l’univers valent bien quelques efforts supplémentaires.