Large Hadron Collider

Large Hadron Collider (LHC), l’accélérateur de particules le plus puissant du monde. Le LHC a été construit par l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) dans le même tunnel de 27 km (17 miles) qui abritait son grand collisionneur électron-positron (LEP). Le tunnel est circulaire et se trouve à 50-175 mètres sous terre, à la frontière entre la France et la Suisse. Le LHC a effectué son premier essai de fonctionnement le 10 septembre 2008. Le 18 septembre, un problème électrique dans un système de refroidissement a entraîné une augmentation de la température d’environ 100 °C (180 °F) dans les aimants, qui sont censés fonctionner à des températures proches du zéro absolu (-273,15 °C ou -459,67 °F). Les premières estimations selon lesquelles le LHC serait rapidement réparé se sont révélées trop optimistes. Il a redémarré le 20 novembre 2009. Peu après, le 30 novembre, il a supplanté le Tevatron du Fermi National Accelerator Laboratory en tant qu’accélérateur de particules le plus puissant, en portant des protons à une énergie de 1,18 téraélectronvolt (TeV ; 1 × 1012 électronvolt). En mars 2010, les scientifiques du CERN ont annoncé qu’un problème de conception du fil supraconducteur du LHC nécessitait que le collisionneur ne fonctionne qu’à mi-énergie (7 TeV). Le LHC a été arrêté en février 2013 pour résoudre le problème et a été redémarré en avril 2015 pour fonctionner à sa pleine énergie de 13 TeV. Un deuxième arrêt prolongé, au cours duquel les équipements du LHC seraient mis à niveau, a débuté en décembre 2018 et devrait se terminer fin 2021 ou début 2022.

Le cœur du LHC est un anneau qui parcourt la circonférence du tunnel LEP ; l’anneau ne fait que quelques centimètres de diamètre, évacué à un degré supérieur à celui de l’espace profond et refroidi à deux degrés près du zéro absolu. Dans cet anneau, deux faisceaux contrarotatifs d’ions lourds ou de protons sont accélérés à des vitesses inférieures à un millionième de pour cent de la vitesse de la lumière. (Les protons appartiennent à une catégorie de particules subatomiques lourdes appelées hadrons, d’où le nom de cet accélérateur de particules). En quatre points de l’anneau, les faisceaux peuvent se croiser et une petite proportion de particules s’entrechoquent. À la puissance maximale, les collisions entre protons auront lieu à une énergie combinée allant jusqu’à 13 TeV, soit environ sept fois plus que ce qui a été réalisé auparavant. A chaque point de collision se trouvent d’énormes aimants pesant des dizaines de milliers de tonnes et des banques de détecteurs pour recueillir les particules produites par les collisions.

La réalisation du projet a pris un quart de siècle ; la planification a commencé en 1984 et le feu vert final a été donné en 1994. Des milliers de scientifiques et d’ingénieurs de dizaines de pays ont participé à la conception, à la planification et à la construction du LHC, et le coût des matériaux et de la main-d’œuvre s’est élevé à près de 5 milliards de dollars ; cela ne comprend pas le coût du fonctionnement des expériences et des ordinateurs.

Un des objectifs du projet LHC est de comprendre la structure fondamentale de la matière en recréant les conditions extrêmes qui se sont produites dans les premiers instants de l’univers selon le modèle du big-bang. Pendant des décennies, les physiciens ont utilisé le modèle dit standard pour les particules fondamentales, qui a bien fonctionné mais présente des faiblesses. Tout d’abord, et c’est le plus important, il n’explique pas pourquoi certaines particules ont une masse. Dans les années 1960, le physicien britannique Peter Higgs a postulé l’existence d’une particule qui aurait interagi avec d’autres particules au début des temps pour leur fournir leur masse. Le boson de Higgs n’avait jamais été observé – il ne devait être produit que par des collisions dans une gamme d’énergie non disponible pour les expériences avant le LHC. Après une année d’observation de collisions au LHC, les scientifiques ont annoncé en 2012 qu’ils avaient détecté un signal intéressant provenant probablement d’un boson de Higgs d’une masse d’environ 126 gigaelectronvolts (milliards d’électronvolts). D’autres données confirment définitivement ces observations comme étant celles du boson de Higgs. Deuxièmement, le modèle standard nécessite certaines hypothèses arbitraires, que certains physiciens ont suggéré de résoudre en postulant une autre classe de particules supersymétriques ; celles-ci pourraient être produites par les énergies extrêmes du LHC. Enfin, l’examen des asymétries entre les particules et leurs antiparticules pourrait fournir un indice sur un autre mystère : le déséquilibre entre la matière et l’antimatière dans l’univers.