Le CERN éteint le grand collisionneur pour quatre ans de chantier

Quelque part en juillet, des ingénieurs du CERN vont immobiliser l'instrument scientifique le plus puissant d'Europe. Après une ultime saison de collisions de protons, comprimée pour en tirer le maximum, le grand collisionneur de hadrons — un anneau de 27 kilomètres enfoui à une centaine de mètres sous les champs de la frontière franco-suisse, aux portes de Genève — va se taire pour près de quatre ans. C'est la pause la plus lourde de conséquences dans l'histoire de la machine, et le laboratoire la mise tout entière sur l'une des questions les plus coriaces de la physique.

Cet arrêt ouvre la voie au LHC à haute luminosité (HL-LHC), une refonte d'ampleur conçue pour décupler la moisson de données du collisionneur. L'objectif n'est pas un faisceau plus énergétique, mais bien plus intense : davantage de collisions, enregistrées avec une finesse accrue, afin que les physiciens puissent disséquer le boson de Higgs et traquer des phénomènes si rares que la machine actuelle n'en produit pas assez pour les étudier. Parmi eux, d'éventuelles signatures de la matière noire, cette substance invisible censée constituer l'essentiel de la masse de l'Univers.

« Je ne pense pas qu'on puisse exagérer l'importance et l'enthousiasme suscités par le LHC à haute luminosité, qui est le plus grand projet entrepris par le CERN depuis vingt ans », a déclaré le directeur général du CERN, Mark Thomson, lorsque le laboratoire a lancé en février les essais à grande échelle des équipements de la future machine.

Une saison courte, puis le grand silence

La campagne en cours, baptisée Run 3, a été prolongée jusqu'en juillet 2026 pour arracher une dernière tranche de données avant l'ouverture de la machine. Le CERN décrit cette saison comme courte mais intense. Sa fin marquera le début du troisième grand arrêt technique du laboratoire, le LS3.

Le calendrier a glissé. Le LS3 commence désormais avec environ sept mois et demi de retard sur le plan initial, et l'arrêt lui-même s'allonge d'à peu près quatre mois. Conséquence : la remise en route du collisionneur amélioré — le Run 4 — est maintenant prévue pour juin 2030, soit près d'un an plus tard qu'annoncé. Les travaux sur la chaîne d'accélérateurs injecteurs débutent en septembre 2026, avec un redémarrage progressif des opérations en 2028.

La décision de décaler d'environ un an le démarrage du HL-LHC et d'allonger la durée de l'arrêt traduit un consensus appuyé par nos comités scientifiques.

Le constat est de Mike Lamont, directeur des accélérateurs et de la technologie au CERN. Le retard, rapportent le CERN et la revue spécialisée CERN Courier, tient surtout à la difficulté de construire les détecteurs de nouvelle génération d'ATLAS et de CMS — d'immenses chantiers sur les trajectographes et les calorimètres des expériences, qui ont rogné les marges de manœuvre. S'y sont ajoutés le coup d'arrêt de la pandémie de Covid-19, les retombées de l'invasion de l'Ukraine par la Russie et des travaux de génie civil pour relier les nouvelles galeries souterraines au tunnel.

Ce que la refonte change vraiment

Seuls 1,2 kilomètre environ des 27 kilomètres de l'anneau sont reconstruits, mais les composants installés comptent parmi les plus exigeants jamais tentés par le laboratoire. Autour des deux grandes expériences généralistes, ATLAS et CMS, les équipes vont monter :

• De nouveaux aimants de focalisation en niobium-étain, un supraconducteur fragile qui autorise un champ magnétique de pointe environ 50 % plus élevé que celui des aimants actuels en niobium-titane, pour resserrer les faisceaux au point de collision.
• Des cavités « crabe » — une seizaine de cavités radiofréquence supraconductrices compactes qui inclinent les paquets de protons juste avant leur rencontre, afin qu'ils se chevauchent davantage et multiplient les collisions.
• Un système de protection renforcé et des lignes d'alimentation supraconductrices inédites, ainsi que de nouvelles cavernes et galeries de service sur les sites des expériences.

Le gain attendu se nomme luminosité — la cadence des collisions. Le CERN table sur une multiplication par dix environ de la luminosité intégrée par rapport à la valeur nominale d'origine, avec 140 à 200 collisions concentrées à chaque croisement de paquets, contre une soixantaine aujourd'hui. En février, le laboratoire a mis en service une maquette grandeur nature d'un tronçon amélioré, l'« IT String », pour vérifier que les aimants, les cavités et les circuits de refroidissement fonctionnent de concert avant leur descente dans le tunnel.

« Tous les systèmes ont déjà été testés individuellement, explique Oliver Brüning, une figure de proue du projet HL-LHC. L'objectif de l'IT String est de valider leur intégration et leurs performances collectives en conditions d'exploitation. »

La physique : plus de Higgs, une chance pour la matière noire

Davantage de collisions, c'est davantage d'événements rares. Le CERN estime que la machine améliorée produira au moins 15 millions de bosons de Higgs par an — contre quelque trois millions pour le LHC en 2017 — et de l'ordre de 380 millions sur l'ensemble de sa vie, à comparer aux 55 millions environ générés depuis le démarrage du collisionneur d'origine. Cette puissance statistique permettra de mesurer avec une précision bien plus grande la façon dont le Higgs interagit avec les autres particules : un test grandeur nature de la solidité du Modèle standard.

Elle aiguise aussi la chasse à l'inconnu. Le CERN présente le LHC comme un outil pour sonder quelques-unes des questions ouvertes les plus profondes de la discipline : l'existence ou non de la supersymétrie, celle de dimensions supplémentaires de l'espace et la nature de la matière noire. Aucune ne s'est encore manifestée ; le pari est qu'un jeu de données bien plus vaste augmente les chances de saisir un signal ténu et rare — ou d'écarter des hypothèses.

Une facture à l'échelle d'un continent

Le budget matériel de l'amélioration de l'accélérateur avoisine 950 millions de francs suisses sur la période 2015-2026, l'ensemble du programme — rénovation des détecteurs comprise — coûtant nettement davantage. Près d'un dixième du budget provient de contributions en nature des laboratoires partenaires : la collaboration HiLumi réunit près de 50 institutions dans plus de 20 pays, en majorité européens mais jusqu'aux États-Unis, au Japon, au Canada et à la Chine.

Cette répartition internationale du travail se lit jusque dans les équipements. Le laboratoire américain Fermilab, près de Chicago, a construit et expédié cinq des aimants de focalisation en niobium-étain, cinq autres assemblages étant attendus d'ici la mi-2027. Pour une machine qu'il a fallu des décennies et un continent pour bâtir, le silence à venir sous terre n'est pas une fin, mais une longue et coûteuse inspiration avant la prochaine tentative de déchiffrer les caractères les plus fins de l'Univers.