C’est fait : des faisceaux de protons circulent à nouveau dans le Grand collisionneur de hadrons, sans accélération pour le moment. Le second long arrêt technique est officiellement terminé, mais la « vraie physique » ne commencera que cet été, en juillet. La gigantesque machine se réveille doucement et il faut désormais effectuer des vérifications de routine.

Le LHC est entré en service en 2009. Il a ensuite établi son premier record le 30 mars 2010 avec une collision de faisceaux à 7 TeV (téraélectronvolt). Les expériences sont arrêtées fin 2012 pour laisser place au LS1 (Long Shutdown 1). Il s’agit du premier arrêt technique prévu de longue date afin d’améliorer ses performances.

Début 2015 c’est reparti pour un tour avec le second « Run » d‘exploitation scientifique qui a duré trois ans. L’énergie de collision maximale est quasiment doublée pour atteindre 13 TeV. Fin 2018, nouvel arrêt aux stands avec LS2 (Long Shutdown 2) qui a duré plus de trois ans, et qui vient donc tout juste de se terminer. La suite est déjà programmée avec le LS3 (Long Shutdown 3) qui sera mis en place de 2025 à 2027. Le Grand collisionneur passera alors à la haute luminosité (HL-LHC), nous y reviendrons.

« Des faisceaux de protons circulent à nouveau »

La machine s’est réveillée il y a quelques jours : « Des faisceaux de protons circulent à nouveau le long de l'anneau de 27 kilomètres du collisionneur, marquant la fin d'une pause de plusieurs années consacrée à des travaux d'amélioration ».

Le 22 avril à 12 h 16 (heure française) pour être précis, « deux faisceaux de protons ont circulé en sens opposés le long de l'anneau de 27 kilomètres du Grand collisionneur de hadrons, à l'énergie d’injection de 450 milliards d'électronvolts (450 GeV) ». Pourquoi si peu alors que ce Run 3 sera capable d’atteindre 13,6 TeV ?

On commence en douceur, avant d’accélérer durant l’été

450 GeV, soit 0,45 TeV, semble en effet totalement dérisoire face aux 13 TeV que le LHC était auparavant capable de fournir. La raison est simple, comme l’explique Rhodri Jones (chef du département Faisceaux du CERN) : « Ces faisceaux ont circulé à l'énergie d'injection et contenaient un nombre relativement petit de protons. Les collisions de haute intensité et de haute énergie se produiront dans quelques mois […] Mais ces premiers faisceaux marquent un redémarrage réussi de l'accélérateur après les travaux intenses réalisés durant le long arrêt ».

Pour le moment, ce ne sont que des essais sans accélération permettant de vérifier l'état de marche de tous les instruments et la synchronisation de toutes les machines. En effet, les améliorations des trois dernières années concernent aussi bien les machines en charge d’accélérer les particules que les instruments scientifiques qui mesurent le résultat des collisions.

Mike Lamont (directeur des accélérateurs et de la technologie au CERN) explique que le « LHC proprement dit a connu un vaste programme de consolidation et va maintenant fonctionner à une énergie encore plus élevée ; grâce aux améliorations majeures apportées au complexe d'injecteurs, il fournira beaucoup plus de données aux expériences LHC mises à niveau ».

Pour rappel, des faisceaux avaient commencé à circuler en octobre 2021, mais il ne s’agissait alors que de tests « pilotes ». Ceux du jour marquent à la fois la fin du deuxième long arrêt ainsi que le début la préparation qui conduira à partir de cet été à quatre années d'acquisition de données scientifiques qui pourront déboucher sur une amélioration de nos connaissances de la physique. 

13,6 TeV au lieu de 13 TeV, c’est tout ?

L’énergie ne fait pas un spectaculaire bond en avant puisqu’elle grimpe « seulement » à 13,6 TeV (contre 13 TeV auparavant), ce qui reste dans tous les cas un record. Les attentes sont néanmoins très importantes, notamment sur le boson de Higgs qui sera étudié dans les moindres détails, tandis que le Modèle standard de la physique des particules sera soumis à des tests « les plus rigoureux jamais réalisés ». 

Les chercheurs espèrent aussi aller « au-delà » du Modèle standard, notamment avec le détecteur FASER (Forward Search Experiment). Il a été mis en place dans le tunnel du LHC et, après des tests en 2021, il est prêt pour « étudier les interactions des neutrinos de haute énergie et découvrir de nouvelles particules légères interagissant faiblement ».

L’enjeu est important pour le CERN et la communauté scientifique :

« L'existence de ces nouvelles particules est prédite par de nombreux modèles au-delà du Modèle standard, qui s'efforcent de résoudre certaines des plus grandes énigmes de la physique, comme la nature de la matière noire, et l'origine de la masse des neutrinos. »

Bien sûr que non, la luminosité est plus que doublée

Le CERN rappelle que la luminosité est un indicateur important de performance de son accélérateur : « elle est proportionnelle au nombre de collisions se produisant en un temps donné. Plus la luminosité est grande, plus les expériences récoltent de données, leur permettant d’observer des processus rares ». 

Et justement le Run 3 promet une moisson de données plus importantes encore pour les instruments :

« Les expériences ATLAS et CMS peuvent s'attendre chacune à recevoir davantage de collisions durant cette exploitation pour la physique que lors des deux exploitations précédentes réunies, tandis que l'expérience LHCb, qui a été entièrement remise à niveau durant l'arrêt, peut espérer voir son nombre de collisions augmenter d'un facteur trois. De son côté, ALICE, détecteur spécialisé dans l'étude des collisions d'ions lourds, peut s'attendre à ce que le nombre total de collisions d'ions enregistrées soit multiplié par cinquante, grâce à l'achèvement récent d'une mise à niveau majeure ».

Puisqu’on parle de collisions, revenons quelques instants sur la manière dont on les caractérise. Les chercheurs utilisent le femtobarn inverse – ou fb⁻¹ – pour les quantifier (on vous fait grâce des explications techniques), mais sachez simplement que cela « correspond à environ 100 millions de millions de collisions potentielles ». Pour simplifier, plus le nombre de fb⁻¹ est élevé, mieux c‘est.

Run 3 : vers 2,5x plus de collisions

En 2018, la dernière année quasi complète de fonctionnement du LHC (à quelques semaines près) avant de passer en maintenance, « la luminosité intégrée en 2018 (autrement dit le nombre de collisions susceptibles de s’être produites au cours de l’exploitation 2018) a atteint 66 femtobarns inverses (fb⁻¹) pour ATLAS et CMS, soit 6 points de mieux que prévu […] LHCb a accumulé 2,5 fb⁻¹, plus que les 2,0 fb⁻¹ prévus, et ALICE, 27 picobarns inverses ».

Durant l’ensemble du Run 2 (entre 2015 et 2018), la luminosité intégrée totale du LHC était de 160 fb-1, soit un peu au-delà des 150 fb⁻¹ escomptés. À titre de comparaison, sur l’ensemble du premier Run, la luminosité intégrée était aux alentours de 30 fb⁻¹ « seulement ». Pour le Run 3 qui s’ouvre, on change encore de registre avec pas moins de 400 fb⁻¹ attendus.

Le passage à la haute luminosité (HL-LHC) devrait encore augmenter le nombre de collisions de manière importante puisque 1 500 fb⁻¹ sont espérés pour le Run 4 de mars 2030 à novembre 2032 puis 3 000 fb⁻¹ pour le Run 5 de mars 2035 à novembre 2038. Un calendrier prévisionnel est disponible par ici. Des travaux ont déjà débuté en prévision du HL-LHC durant le LS2, mais il faudra attendre la fin du LS3 pour y passer vraiment. 

• Au Grand collisionneur de hadrons, tous les faisceaux convergent vers la haute luminosité

Crédits : CERN