Grand collisionneur de hadrons : 10 ans de physique et de démesure

Le 30 mars 2010, le LHC établissait un record avec une collision de faisceaux à une énergie de 7 TeV et ouvrait les vannes à une moisson sans précédent de données pour les physiciens des particules. On y a notamment trouvé le boson de Higgs. Il est depuis passé à 13 TeV et se prépare pour la haute luminosité, avec encore plus de données.

Pour nous resituer dans le temps, lors de la première collision à 7 TeV (Téra électron Volts) il y a 10 ans, le boson de Higgs n’avait pas encore été observé directement. Prédit par les scientifiques Peter Higgs et François Englert depuis les années 1960, cette particule a été « vue » par les expériences Atlas et CMS du LHC (Grand collisionneur de hadrons). L’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) avait alors fait couler beaucoup d’encre en 2012 lors de la présentation des travaux en… Comic Sans MS.

Cette journée du 30 mars 2010 était d’importance pour le Grand collisionneur de hadrons et le CERN, comme en témoigne le dispositif mis en place à l’époque : des retransmissions en direct et des tables rondes durant toute la journée, de 8h30 à 18h. Une bande-annonce avec la musique Thunderstruck d’AC/DC avait même été mise en ligne.

Mais de quoi s’agit-il et que nous réserve la prochaine décennie du LHC, pour le moment en travaux ? Voici un tour d’horizon à l’occasion de ce 10e anniversaire. 

Des « particules sorties du néant »

Mais tout d’abord, le LHC ou Grand collisionneur de Hadrons, c’est quoi exactement ? C’est « l’accélérateur de particules le plus grand et le plus puissant du monde. C'est un anneau de 27 kilomètres de circonférence, formé de milliers d'aimants supraconducteurs et doté de structures accélératrices pour accroître l'énergie des particules à chaque passage », expliquent le CERN et le CNRS.

Concrètement, deux faisceaux de particules circulent sous ultravide – un vide « très poussé » – dans l’anneau « à des énergies très élevées et à une vitesse proche de celle de la lumière avant de rentrer en collision l’un avec l’autre ». Les faisceaux sont guidés le long de l’anneau « par un puissant champ magnétique, généré par des électroaimants supraconducteurs », c’est-à-dire refroidis à une température de -271°C et conduisant l’électricité sans résistance ni perte d’énergie.

Le CERN explique que la gigantesque installation comporte 1 232 aimants dipolaires de 15 m de long, utilisés pour « courber la trajectoire » des faisceaux de particules. Il y a également 392 aimants quadripolaires de 5 à 7 m pour concentrer les faisceaux. Ces derniers sont constitués « de centaines de paquets de quelques dizaines de centimètres de long. Chaque paquet contient plus de cent milliards de protons ».

« Juste avant la collision, un autre type d’aimant est utilisé pour “coller” les particules les unes aux autres, de façon à augmenter les probabilités d’une collision ». Pour se rendre compte du défi, l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire propose une comparaison : « Ces particules sont si minuscules que les faire entrer en collision revient à lancer deux aiguilles éloignées de 10 km, l’une contre l’autre ». 

Ensuite, les scientifiques laissent faire dame nature : « à chaque collision entre protons accélérés, en vertu de l’équivalence entre masse et énergie, l’énergie cinétique accumulée par ces particules se mue en « grains » de matière. Ces particules sorties du néant constituent alors autant d’indices sur les processus élémentaires qui leur ont donné naissance ».

Record mondial en 2009 avec 2,36 TeV…

Approuvé dans le milieu des années 90, le Grand collisionneur de hadrons n’est entré en service qu’à la fin des années 2000, en retard sur le planning… comme souvent pour ce genre de projet pharaonique. Le CERN rappelle que « la période d’exploitation actuelle du LHC a commencé le 20 novembre 2009, avec un premier faisceau en circulation à 0,45 TeV ». Ce n’était que le début, loin de ce qu’il est aujourd’hui capable de produire.

Trois jours plus tard, le 23 novembre, deux faisceaux étaient en circulation dans le Grand collisionneur. Puis, le 30 novembre, « on a atteint un record mondial d’énergie de faisceau, avec 1,18 TeV ». Tout était en place pour passer à la seconde étape : un télescopage.

Le 16 décembre, un autre record est ainsi atteint (il découle directement du précédent) : « des collisions enregistrées à 2,36 TeV [via deux faisceaux à 1,18 TeV en « sens contraire» , ndlr], produisant une quantité importante de données ».

Alice, Atlas, CMS et LHCb : des instruments de plusieurs milliers de tonnes

En quelques semaines, les grandes expériences du LHC ont ainsi enregistré « plus d’un million de collisions de particules ». Voici un rapide point sur les quatre principaux instruments :

• Alice (A Large Ion Collider Experiment) : détecteur d’ions conçu pour étudier les propriétés physiques de la matière soumise à l’interaction forte (une des trois interactions du modèle standard). Il mesure 26 x 16 x 16 mètres pour 10 000 tonnes et se trouve 56 mètres sous terre.

• Atlas : un des deux détecteurs polyvalents étudiant des domaines de physique très variés, de la recherche du boson de Higgs aux dimensions supplémentaires de l’espace-temps, en passant par les particules qui pourraient former la matière noire. Il mesure 46 x 25 x 25 mètres pour 7 000 tonnes et se trouve 100 mètres sous terre.

• CMS (Solénoïde compact pour muons) : le second détecteur polyvalent ayant le même but qu’Atlas, mais avec une conception différente. Il mesure 21 x 15 x 15 mètres pour 14 000 tonnes et se trouve à 100 mètres sous terre. Petite particularité, le CMS a été construit à la surface puis descendu sous terre en 15 sections.

• LHCb (Large Hadron Collider beauty) : explore les légères différences existant entre matière et antimatière grâce à l’étude d’un type de particule appelé « quark beauté » ou « quark b ». Il mesure 21 x 10 x 13 mètres pour 5 600 tonnes et se trouve lui aussi à 100 mètres sous terre.

Les données produites sont enregistrées via la Grille de calcul mondiale pour le LHC (WLCG) afin d’être traitées dans un second temps par les scientifiques. Créée en 2002, la WLCG « a pour but de fournir les ressources nécessaires au stockage, à la distribution et à l’analyse des 15 pétaoctets (15 millions de gigaoctets) de données générées chaque année ».

… puis un passage à 7 TeV le 30 mars 2010

En décembre 2009, un premier arrêt technique a eu lieu pour préparer le passage à 3,5 TeV (contre 2,36 TeV pour rappel). Les faisceaux ont de nouveau circulé à partir du 28 février 2010, avec les 3,5 TeV atteints le 19 mars. Des collisions ont ensuite été effectuées à 7 TeV dès le 30 mars, il y a donc tout juste 10 ans. Pour vous donner un ordre de grandeur, cela correspond à l’énergie « d’un moustique en vol… concentré dans un volume mille milliards de fois plus petit ». La machine était alors lancée à son plein régime de l’époque.

La première collision à ce niveau de puissance s’est produite à 13h06 précisément. « Dans le monde entier, des physiciens des particules se préparent à une moisson potentiellement riche de données de nouvelle physique », expliquait à l’époque le CNRS… et cela n’a pas manqué.

Cette première période d’exploitation du LHC s’est terminée le 17 décembre 2012, avec un bilan largement positif : « Pour mettre les choses en perspective, sur les 6 millions de milliards de collisions proton-proton produites par le LHC, les expériences ATLAS et CMS ont chacune, au cours des trois dernières années, enregistré environ 5 milliards de collisions intéressantes. Sur ce nombre, seules 400 collisions environ ont permis de mettre en évidence des événements signalant la particule de type Higgs dont la découverte a été annoncée en juillet [2012, ndlr] ».

Depuis sa mise en service, les équipes du CERN travaillent sur le LHC en permanence pour en améliorer les performances. Fin 2012 par exemple, elles ont pu diviser par deux l’intervalle de temps entre les paquets : de 50 nanosecondes il est passé à 25 nanosecondes, doublant le nombre de paquets dans le faisceau et ainsi les potentielles collisions. En 2012, l’énergie de collision est passée de 7 à 8 TeV, etc.

13 TeV en 2015 pour la seconde période d’exploitation

Des travaux ont ensuite été entrepris pour augmenter significativement les performances du LHC, avec l’objectif d’atteindre 13 TeV début 2015, soit quasiment deux fois plus. C’est donc en 2015 que la seconde période d’exploitation a commencé, et elle a pris fin le 3 décembre 2018 « après trois années fantastiques » selon le CERN.

Le boson de Higgs a été découvert durant la première période, tandis que la seconde a permis d’améliorer « nettement notre connaissance du boson de Higgs, notamment ses modes de couplage aux quarks et leptons de troisième génération […] Grâce à la deuxième période d'exploitation, nous connaissons à présent les masses du boson de Higgs, du quark top et du boson W avec une précision nettement plus grande. Ces mesures sont importantes pour fixer des repères stabilisant le Modèle standard ».

Si nos connaissances ont « considérablement » augmenté, les scientifiques en veulent toujours plus : « Les données de physique recueillies à ce jour mettent en évidence plus que jamais la nécessité de disposer du LHC à haute luminosité [augmenter le nombre de collisions par seconde, ndlr] et d'atteindre l'énergie nominale de 14 TeV ».

Pourquoi une telle importance ? Parce que le Grand collisionneur de hadrons « générera bien plus de collisions que son prédécesseur, accumulant dix fois plus de données que le LHC au cours de son exploitation », explique le CNRS. « En augmentant les statistiques, on se donne plus de chances d’attraper une particule très rare et d’explorer ce qu’il y a au-delà du modèle standard », ajoute le Centre national de la recherche scientifique.

• Le Grand Collisionneur de Hadrons inaugure son nouvel accélérateur linéaire

Une nouvelle physique ? Pas si vite…

Ces évolutions commenceront à arriver durant la troisième période d’exploitation du LHC qui débutera en mai 2021, sauf nouveau report du calendrier. Elle sera allongée d’un an pour mener des expériences jusque fin 2024. Ce sera ensuite un nouvel arrêt technique de deux ans pour arriver enfin au LHC haute luminosité prévue pour fin 2027, dont l’exploitation est prévue pour au moins 10 ans.

Et ce n’est pas encore gagné. En 10 ans de recherche, « nous n’avons pas observé l’once du début de quelque chose qui n’entre pas dans le cadre du modèle standard », explique Isabelle Wingerter-Seez, responsable d’Atlas-France jusqu’en 2017. « Inexistence de cette nouvelle physique ? Formes différentes de celles imaginées jusqu’alors ? Signatures plus exotiques que celles recherchées dans les détecteurs ? Nul ne le sait encore », explique le CNRS.

La marge de progression reste importante : « à ce jour, nous n’avons recueilli que 5 % des données que le LHC prendra durant toute sa durée de fonctionnement », explique Laurent Vacavant, directeur adjoint scientifique à l’Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3).

Le LHC et la « peur » des trous noirs

Depuis sa création, le Grand collisionneur de hadrons soulève des inquiétudes, dont celle d’ouvrir des trous noirs. C’est « très peu probable », affirme fermement le CERN. « Cependant, selon certaines théories, la formation de minuscules trous noirs « quantiques » est possible. L'observation d'un tel phénomène serait un événement, car cela nous permettrait de mieux comprendre l'Univers ; le phénomène ne présenterait d'ailleurs aucun danger ».

« Cela permettrait aux physiciens de mieux comprendre la force la plus insaisissable de la nature – la gravité – [et] confirmerait les théories selon lesquelles notre Univers possède plus de 4 dimensions (3 d'espace et 1 de temps). Ce serait une révolution du point de vue philosophique ! », ajoute l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire… mais c’est une autre histoire.