LHC (Large Hadron Collider)

Le LHC (Large Hadron Collider) ou grand collisionneur de hadrons est l’accélérateur de particules le plus puissant au monde. Il est situé dans un tunnel circulaire de 27 kilomètres de circonférence à une centaine de mètres sous terre, près de Genève, à la frontière franco-suisse. Il a pour fonction d’accélérer essentiellement des protons (éléments de la famille des hadrons, qui constituent avec les neutrons les noyaux des atomes) et de provoquer des collisions. Deux faisceaux de protons circulent ainsi en sens inverse sur des trajectoires séparées, à une vitesse proche de celle de la lumière, et sont guidés pour s’entrechoquer en quatre points spécifiques de l’anneau où sont installés des détecteurs qui enregistrent les particules produites dans les collisions.

La première collecte de données, de 2010 à 2012, a été couronnée par la découverte du boson de Higgs, grâce à deux de ces détecteurs, ATLAS et CMS. Dès l’année suivante, le prix Nobel de physique a été attribué à François Englert et Peter Higgs, deux des théoriciens à avoir prédit l’existence de cette particule en 1964, soit près de cinquante ans auparavant. La seconde collecte de données, de 2015 à 2018, à des énergies encore plus élevées, pourrait apporter son lot de surprises.

Naissance et objectifs du LHC

Le projet de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire – le Cern – de construire un collisionneur de hadrons est évoqué dès les années 1980. Le principal objectif est de découvrir et étudier le boson de Higgs, particule prédite par le modèle standard, cadre théorique de la physique des particules. En outre, le LHC doit permettre d’explorer les extensions théoriques de ce modèle, telles que la supersymétrie, en recherchant de nouvelles particules prédites par ces théories. En effet, malgré ses succès à décrire les particules élémentaires et leurs interactions, le modèle standard présente des faiblesses. Certaines relèvent de concepts théoriques complexes comme le problème de la hiérarchie (pourquoi l’intensité de la gravitation est-elle si faible par rapport à celle des autres interactions ?), d’autres sont en lien avec des observations astrophysiques, telles que l’existence de la matière noire ou l’asymétrie matière-antimatière que le modèle standard n’explique pas. Il est possible de concevoir une théorie plus complète pour répondre à ces questions, mais elle reste à être vérifiée expérimentalement.

Pour étudier cet univers de l’infiniment petit et mettre en évidence ces particules, il a donc été décidé de construire un collisionneur proton-proton de très haute énergie : 7 téraélectronvolts (TeV) par faisceau, ce qui correspond à une énergie de collision de 14 TeV. Un autre paramètre important pour un collisionneur est sa luminosité qui est directement reliée au nombre de collisions proton-proton par unité de temps. Pour le LHC, il est prévu environ un milliard de collisions par seconde. Cette puissante machine pourra également produire des collisions entre noyaux de plomb afin d’étudier la matière nucléaire à l’état de plasma, telle qu’elle devait être lors de la première microseconde après le big bang. Le projet est validé en 1994 et sera construit dans le tunnel déjà existant du LEP (Large Electron-Positron Collider), un collisionneur électron-positron mis en service en 1989 et dont l’énergie maximale de collision atteindra à la fin des années 1990 environ 200 gigaélectronvolts (soit 0,2 TeV).