Ce qu'il faut savoir du plus grand et plus puissant accélérateur de particules du monde, qui redémarre pleinement mardi

Il se prépare à révolutionner à nouveau notre connaissance de l'Univers. Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du Cern doit atteindre sa pleine puissance, mardi 5 juillet. Après trois ans d'arrêt, pour des travaux de maintenance et d'amélioration, il avait redémarré le 22 avril. Franceinfo vous présente le plus grand accélérateur de particules du monde, ce temple de l'étude de l'infiniment petit.

Il fait 27 km de long et se trouve à 100 mètres sous terre

Le LHC est un anneau de 27 km de long enfoui à 100 m sous terre, à la frontière entre la France et la Suisse, non loin de Genève. Si le dispositif est enterré si profond, c'est "pour éviter la pollution des particules cosmiques qui pourrait venir perturber les expériences", comme l'explique le Cern dans cette vidéo de présentation de l'expérience LHCb. L'accès à l'accélérateur de particules est hautement sécurisé : avant de prendre l'ascenseur qui le relie à la surface, un appareil scanne l'iris des visiteurs.

Pourquoi des instruments aussi grands sont-ils nécessaires pour étudier l'infiniment petit ? En résumé, explique le Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), les particules se comportent comme des ondes ou des vagues. Selon la mécanique quantique, l'énergie est inversement proportionnelle à la longueur d'onde. C'est pour cela que travailler avec de petite longue d'onde nécessite une quantité d'énergie extrêmement importante.

Il est le théâtre de (très) violentes collisions

Le LHC est un collisionneur. A l'intérieur, les physiciens propulsent des protons, des particules situées dans le noyau des atomes. Dans l'anneau, deux faisceaux de protons circulent, chacun dans un sens. Ils se déplacent à une vitesse proche de celle de la lumière, se percutent et explosent. Plus ces collisions sont violentes, plus elles permettent de casser les particules et aider les scientifiques à identifier leurs composants et leurs interactions.

Après trois ans de travaux, le LHC va atteindre sa pleine puissance de collision de 13,6 téraélectronvolts (TeV). Celle-ci est inédite, remarque Laurent Vacavant, directeur adjoint scientifique à l'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules. Mais à quoi correspond-elle ? "C'est très difficile à illustrer parce que ce sont des unités d'énergie qui sont vraiment propres à notre domaine. Ce sont des énergies infinitésimales", concède-t-il. "Pour donner une idée, nous comparons souvent cette énergie à celle que doit dépenser un moustique pour se maintenir en vol. Sauf que, dans le LHC, cette énergie est concentrée de façon extrême dans la collision de deux protons", avance-t-il.

"Les protons étant infiniment petits, cela fait une concentration d'énergie absolument gigantesque."

Laurent Vacavant

à franceinfo

Avec cette puissance encore jamais atteinte, les physiciens espèrent obtenir davantage de "collisions intéressantes" et des "événements rares" avec la création éventuelle de particules nouvelles ou encore jamais observées, relate Laurent Vacavant.

Les détecteurs de plusieurs expériences (Atlas, CMS, ALICE et LHCb) répartis sur les 27 km de l'anneau sont ensuite chargés de capter et d'enregistrer les collisions. Le CMS, par exemple, fonctionne comme un gigantesque appareil photo, qui prend des images en trois dimensions des collisions. "Nous visons un taux de 1,6 milliard de collisions proton-proton par seconde pour les expériences Atlas et CMS", a affirmé Mike Lamont, directeur des accélérateurs et de la technologie au Cern.

Il a déjà permis de révolutionner la physique

Grâce au LHC, en 2012, Fabiola Gianotti, alors coordinatrice de l'expérience CMS, avait annoncé la découverte du boson de Higgs. Celle-ci a révolutionné la physique, en confirmant la prédiction des chercheurs qui, près de 50 ans auparavant, en faisaient une pièce maîtresse du Modèle standard de la physique des particules (SM).

>> Sept questions sur le boson de Higgs

"Le boson de Higgs est lié à certaines des questions les plus profondes de la physique fondamentale, qu'il s'agisse de la structure et la forme de l'Univers, comme de la façon dont s'organisent les autres particules", a expliqué celle qui est aujourd'hui la directrice générale du Cern.

Mais le boson de Higgs demeure mystérieux. "S'agit-il d'une particule fondamentale ou bien composite", à savoir un assemblage de plusieurs particules encore inconnues, se demande Joachim Mnich, directeur de la recherche et du calcul au Cern. "Est-ce la seule particule de Higgs existante ou y en a-t-il d'autres ?" poursuit-il.

Il pourrait permettre d'en savoir plus sur la matière noire

"La découverte du boson de Higgs revient à avoir trouvé une aiguille dans une botte de foin", remarque Laurent Vacavant. Il a fallu analyser environ 1,2 milliard de milliard de collisions de protons pour le trouver. La nouvelle phase d'exploitation du LHC doit permettre de multiplier ce chiffre par vingt. "Un accroissement significatif qui ouvre la voie à de nouvelles découvertes", juge Mike Lamont.

Outre le boson de Higgs, les expériences menées au LHC ont déjà permis de découvrir plus de 60 particules composites prédites par le Modèle standard. Avec cette nouvelle phase d'exploitation de l'accélérateur de particules, les scientifiques espèrent de nouvelles trouvailles. Laurent Vacavant mentionne notamment la matière noire. Cette matière fantôme, énigmatique, serait formée de particules exotiques de grande masse. Selon certaines hypothèses, il pourrait y avoir dans l'Univers entre cinq et sept fois plus de matière noire que de matière visible. Cela signifie que la matière que nous connaissons (qui est faite d'atomes) représenterait moins de 20% de toute la matière qui compose notre Univers.

Cette matière noire, qui n'a encore jamais détectée et jamais observée, est une clé importante pour comprendre les mouvements de grandes structures comme les galaxies et les amas de galaxies. La débusquer représenterait une découverte majeure et sa traque est une priorité pour les chercheurs partout dans le monde. "La matière noire, on sait que c'est une particule qui n'interagit pratiquement pas, expose Laurent Vacavant. Dans certains modèles, il y a une particule [hypothétique] que l'on appelle neutralino. Comme son nom l'indique, c'est une particule très neutre, que l'on aurait du mal à voir. Et selon la masse de ce neutralino, il pourrait avoir toutes les propriétés pour la matière noire", explique-t-il. Les années à venir s'annoncent aussi excitantes que passionnantes au LHC.