Depuis ses premiers faisceaux en 2008 et ses premières collisions en 2009, le grand collisionneur de protons du Cern, en anglais le Large Hadron Collider (LHC), nous a permis d'explorer de nouveaux territoires de la physique fondamentale, en quête d'une manifestation d'une nouvelle physique qui pourrait nous aider à comprendre la nature de la matière noire et de l'énergie noire.

Cela n'a pas été le cas. Mais, le LHC a tout de même permis de consolider notre connaissance du Modèle standard de la physique des particules avec son résultat le plus célèbre, la découverte du boson de Higgs en 2012 par Atlas et CMS, découverte qui a valu à François Englert et Peter Higgs le prix Nobel de physique 2013.

Illustration du futur HL-HC. © LS, ChatGPT

Des accélérateurs et des détecteurs upgradés

Bien que là aussi prévu par le Modèle standard et sa théorie des quarks, le LHC a permis la découverte de 85 nouveaux hadrons, l'étude du plasma quark-gluon, celle de la mystérieuse asymétrie matière-antimatière avec le détecteur LHCb, lequel a donné quelques signes possibles d'une nouvelle physique.

Pour aller plus loin, les chercheurs viennent de mettre à l'arrêt le LHC afin de le modifier, avant de le relancer sous une forme upgradée à l'horizon 2030.

Selon un communiqué du Cern, ce troisième long arrêt (Long Shutdown 3, en anglais) sera le plus grand chantier sur le complexe d'accélérateurs du Cern depuis la construction du LHC. Il impliquera des milliers de spécialistes pour le remplacement d'environ 1,2 kilomètre d'aimants et d'équipements, la modernisation des injecteurs, des infrastructures, des systèmes de sécurité, du réseau électrique et de plusieurs installations expérimentales.

Les détecteurs Atlas et CMS seront, eux aussi, profondément transformés, modernisés avec des technologies de pointe, au point de devenir presque de nouveaux instruments. Ils pourront alors bénéficier de faisceaux de particules jusqu'à dix fois plus de luminosité que le LHC initial.

Pour mieux comprendre de quoi il s'agit, rappelons ce que nous avions déjà expliqué.

Depuis son fonctionnement, le LHC a montré que le modèle standard de la physique des particules bâti sur des théories - que l'on doit notamment à Chen Ni Yang, Steven Weinberg et Peter Higgs - était incroyablement performant, montrant la justesse des raisonnements et des principes sur lesquels il est basé. Mais, paradoxalement, c'est aussi pour le moment un échec, car ces mêmes principes rendaient très probables l'apparition d'un nouvelle physique très rapidement dans les détecteurs du LHC. Il n'en a rien été et on ne sait toujours pas pourquoi.

Cette nouvelle physique aurait dû se montrer directement sous la forme de nouvelles particules notamment. Elle aurait pu se montrer aussi, mais de façon moins spectaculaire, dans des écarts entre certaines propriétés des particules du modèle standard et les corrections aux valeurs de ces propriétés prédites par des théories au-delà du modèle standard. Par exemple, avec de la supersymétrie ou des dimensions spatiales supplémentaires, pourvu que l'on ait des mesures suffisamment précises.

Une présentation du HL-LHC. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais apparaissent alors. Cliquez ensuite sur la roue dentée à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Cern

Plus d'énergie, mais aussi plus de luminosité !

Dans le premier cas, il faut atteindre des énergies dans les collisions suffisamment élevées pour que, selon la fameuse relation d'Einstein E=mc², on puisse produire des particules d'une masse donnée, par exemple environ 1 000 fois celle d'un proton, c'est-à-dire 1 TeV en unité d'énergie habituelle en physique des hautes énergies. L'énergie fait aussi varier le taux de production de certaines réactions, qui peuvent être très rares même avec l'énergie nécessaire pour créer des particules. Mais si ces nouvelles particules ne peuvent émerger directement que disons à 10 000 Tev ou plus, nous ne pourrions jamais les créer.

Tout espoir n'est cependant pas perdu aux énergies accessibles à Homo sapiens dans le second cas et même en partie dans le premier cas. Il est en effet possible d'améliorer encore la précision des mesures notamment ou de contourner l'obstacle des faibles taux de réaction. Mais, pour cela, il faut augmenter le nombre de collisions afin de « faire grimper la statistique », comme disent les physiciens dans leur jargon. Pour obtenir cette augmentation du nombre de collisions en un temps raisonnable, et pas au bout d'un siècle par exemple, il faut faire augmenter ce que l'on appelle la luminosité des faisceaux de protons.

Il est facile de comprendre pourquoi en comparant la situation à la problématique de la formation d'une bonne image avec un appareil photo. Il est nécessaire de faire entrer rapidement suffisamment de lumière pour éviter un temps de pose trop long et, tout simplement, pour avoir assez de photons afin d'obtenir une image assez détaillée et, ainsi, pouvoir identifier ce qu'elle représente et avoir des détails.