Le Grand collisionneur de hadrons du CERN s’arrête ce lundi pour quatre ans de rénovations à 1,5 milliard de dollars. Le HL-LHC qui en sortira en 2030 produira 10 fois plus de collisions, 100 fois plus de données — et tentera enfin de détecter des particules de matière noire et de produire deux bosons de Higgs simultanément pour la première fois.

Ce que vous allez apprendre

• Ce que signifie concrètement augmenter la « luminosité » d’un collisionneur — et pourquoi c’est si difficile techniquement
• Quelles découvertes le HL-LHC espère réaliser que le LHC n’a pas pu faire
• Pourquoi des IA devront sélectionner en temps réel les collisions à enregistrer parmi des milliards par seconde

Quatre ans d’arrêt pour un bond technologique majeur

Depuis sa mise en service en 2008, le Grand collisionneur de hadrons du CERN — un tunnel circulaire de 27 kilomètres situé à 100 mètres sous la frontière franco-suisse — a notamment permis la découverte du boson de Higgs en 2012, valant le prix Nobel de physique 2013 à Peter Higgs et François Englert.

À partir de ce lundi, l’accélérateur cesse ses opérations pour quatre ans. L’objectif : le transformer en HL-LHC — High Luminosity LHC — qui devrait reprendre ses activités en juin 2030 pour une décennie d’opérations. Le coût total de la mise à niveau : 1,2 milliard de francs suisses, financés par les membres du CERN avec des contributions en nature des États-Unis, du Japon, du Canada et de la Chine.

Crédit : Allen Janusz/istock

Dix fois plus de collisions, cent fois plus de données

La rénovation portera sur 1,2 kilomètre du tunnel, avec le remplacement d’aimants supraconducteurs capables de concentrer davantage les faisceaux de particules. L’objectif est d’augmenter la « luminosité » — le nombre de collisions produites par unité de temps — d’un facteur 10. Concrètement, là où 60 collisions se produisent actuellement à chaque rencontre de paquets de particules, le HL-LHC en produira entre 140 et 200. Au total, plusieurs milliards de collisions par seconde.

Ce déluge de données sera tel qu’il sera impossible de tout stocker. Des systèmes d’intelligence artificielle devront sélectionner en temps réel les collisions les plus prometteuses à enregistrer — une tâche impossible pour des humains à cette échelle, mais que les physiciens accompagneront : « l’IA ne remplace pas les physiciens« , insiste la physicienne Nedaa-Alexandra Asbah. « C’est un outil puissant qui nous aide à mieux exploiter les données.« 

Matière noire et double boson de Higgs dans le viseur

Deux objectifs scientifiques majeurs attendent le HL-LHC. Le premier : rechercher des particules candidates à la matière noire. Les scientifiques estiment que la matière ordinaire — étoiles, planètes, tout ce que nous connaissons — ne représente que 5 % de l’univers. Les 27 % restants seraient de la matière noire, invisible et jamais détectée directement.

Le second objectif est de produire simultanément deux bosons de Higgs et d’observer leur interaction — une première absolue. Sur toute la durée de vie du HL-LHC, environ 380 millions de bosons de Higgs devraient être produits, contre 55 millions depuis 2008. Cette interaction entre deux bosons de Higgs pourrait, selon Asbah, « fournir des indices sur la façon dont notre univers a évolué peu après le Big Bang. »