Le Grand collisionneur de hadrons (LHC), dans un tunnel de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (Cern), lors de travaux de maintenance le 6 février 2020 à Echenevex, près de Genève ( AFP / VALENTIN FLAURAUD )
Le plus grand accélérateur de particules du monde, au Cern, entame lundi quatre ans d'arrêt pour une modernisation destinée à fortement accroître sa capacité à produire des collisions, dans l'espoir de percer l'un des plus grands mystères de l'Univers, celui de la matière noire.
Au coeur du Cern (Organisation européenne pour la recherche nucléaire), près de Genève, s'étend le Grand collisionneur de hadrons (LHC), un anneau titanesque de 27 kilomètres de circonférence, enfoui en moyenne à 100 mètres sous terre, à cheval sur la frontière entre la France et la Suisse.
Dans ce tunnel, des aimants supraconducteurs et des structures accélératrices propulsent des particules à des énergies extrêmes avant de les faire entrer en collision.
Ce dispositif hors norme évoluera avec le futur LHC à haute luminosité (HiLumi LHC), la version améliorée du collisionneur actuel conçue pour accroître davantage encore la précision et l'intensité des collisions de particules, dont la mise en service est prévue pour juin 2030 et dont l'exploitation est programmée pour jusqu'aux alentours de 2040.
"Beaucoup de découvertes à faire""
"C'est un moment très important. Dès lundi, on entre dans une nouvelle phase", a déclaré Markus Zerlauth, le chef du projet HiLumi, à l'occasion de sa présentation aux journalistes.
"On a encore beaucoup de questions en physique auxquelles on n'a pas trouvé les réponses. Il y a encore beaucoup de découvertes à faire", a-t-il relevé.
L'objectif est d'augmenter la "luminosité" - à savoir le nombre total des collisions produites sur une période donnée - d'un facteur 10 par rapport au LHC.
Des lignes de faisceau dans un tunnel du Grand collisionneur de hadrons (LHC) de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (Cern), lors de travaux de maintenance, le 6 février 2020 à Echenevex, en France, près de Genève ( AFP / VALENTIN FLAURAUD )
Le coût est évalué par le Cern à 1,2 milliard de francs suisses (1,3 milliard d'euros).
En plus des contributions des Etats membres et associés du Cern, le projet a reçu des contributions en nature (comptant pour environ 10-15% de la dépense totale) de pays membres et d'autres tels que les Etats-Unis, le Japon, le Canada et la Chine.
Le tunnel circulaire de 27 kilomètres restera inchangé. Son développement repose sur le remplacement d'1,2 kilomètre du LHC par des composants totalement innovants. De nouveaux aimants supraconducteurs, capables de concentrer encore davantage les faisceaux de particules, seront installés afin d'augmenter le nombre des collisions.
Ainsi, 140 à 200 collisions se produiront chaque fois que deux paquets de particules se rencontreront au coeur de deux des quatre grands détecteurs, contre environ 60 actuellement.
Globalement, "l'augmentation du nombre des collisions va permettre de collecter jusqu'à 100 fois plus de données", a salué M. Zerlauth.
Le nombre des collisions sera tel - plusieurs milliards par seconde - qu'il sera impossible de conserver toutes les données produites. Elles devront être sélectionnées en temps réel, une tâche qui sera confiée à des systèmes d'intelligence artificielle capables d'identifier les événements les plus prometteurs pour les physiciens.
"Mais l'IA ne va pas remplacer les physiciens", a assuré Nedaa-Alexandra Asbah, une physicienne participant à l'expérience ATLAS du LHC.
Big Bang
Le LHC à haute luminosité a pour but de permettre l'approfondissement des connaissances fondamentales, la principale mission du Cern.
"Nous voulons découvrir de nouvelles particules", a expliqué Filip Moortgat, le coordinateur de l'exploitation de CMS, un détecteur conçu pour explorer un large éventail de domaines de la physique, dont la recherche d'autres dimensions ou la quête des particules qui pourraient constituer la matière noire.
Une projection représentant des particules élémentaires, avec le boson de Higgs au centre, visible à l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (Cern), le 19 avril 2023 à Genève ( AFP / Fabrice COFFRINI )
Les astronomes estiment que la matière visible — celle qui compose les étoiles, les planètes et les galaxies — ne constitue qu'environ 5% de l'Univers. Le reste serait constitué de matière noire (27%) et d'énergie sombre (68%), deux composantes invisibles que les scientifiques n'ont encore jamais détectées et observées directement.
En 2012, les expériences réalisées au Cern ont toutefois permis de confirmer l'existence du boson de Higgs, considéré comme la clef de voûte de la structure fondamentale de la matière, une découverte majeure qui a valu le prix Nobel de physique 2013 au Britannique Peter Higgs et au Belge François Englert.
Le Cern se réjouit : le LHC à haute luminosité pourrait produire sur l'ensemble de sa durée d'exploitation environ 380 millions de bosons de Higgs, à comparer aux quelque 55 millions produits depuis le démarrage du LHC en 2008.
Mais le Cern espère surtout pouvoir produire deux bosons de Higgs en même temps - du jamais vu - et les faire interagir, a expliqué Nedaa-Alexandra Asbah.
"Cela pourrait fournir des indices sur la manière dont notre univers a évolué peu après le Big Bang", s'est-elle enthousiasmée.
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