Un des nouveaux aimants quadripolaires en cours d'étude pour la réalisation d'une version améliorée du LHC à l'horizon 2025. © Cern, Robert Hradil, Monika Majer, ProStudio22.ch

Sciences

HL-LHC : la construction du successeur du LHC débute !

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Les travaux de construction d'un nouveau LHC ont débuté. Celui-ci produira des faisceaux de protons plus intenses pour des collisions plus riches en évènements rares. Ce LHC à haute luminosité, ou HL-LHC, devrait partir chasser de la nouvelle physique à l'horizon 2025-2026.

Avec ses détecteurs géants et sa connexion à une grille mondiale d'ordinateurs, le LHC est sans doute l'objet technologique le plus avancé créé par l'humanité. Lorsque ce Grand collisionneur de hadrons est enfin parti à la chasse à de la nouvelle physique, en 2010, les physiciens des hautes énergies étaient très majoritairement optimistes.

Ils s'attendaient à mettre en évidence rapidement des particules supersymétriques, dont certaines devaient être la clé de la nature de la matière noire. Il était même raisonnable d'obtenir tout aussi rapidement des preuves de la validité de la théorie des cordes, que ce soit avec la mise en évidence d'un boson Z' ou, mieux encore, avec la mise en évidence de minitrous noirs de Hawking s'évaporant en un éclair après leur création.

Il n'en fut rien, mais le LHC a tout de même atteint son but principal initial, à savoir la mise en évidence du fameux boson de Brout-Englert-Higgs (BEH) en 2012. Les chercheurs ont pu également vérifier depuis avec plus de précisions certaines prédictions du modèle standard de la physique des hautes énergies et commencer à explorer l'origine des masses des quarks et des leptons formant la matière en montrant que, là aussi, intervenait la physique du boson de BEH via les fameux couplages de Yukawa.

Pierre Fayet, directeur de recherche CNRS au laboratoire de Physique théorique de l'ENS, à Paris, est spécialiste de la physique théorique des particules ; ses travaux ont notamment porté sur la théorie de la supersymétrie, dont il est l'un des principaux pionniers. Interview réalisée le vendredi 4 octobre 2013 au laboratoire de Physique théorique (ENS Paris). © CNRS

Une théorie standard triomphante, hélas…

Les résultats ont été finalement, jusqu'à présent, à la fois triomphants et désastreux. Lors de l'hommage rendu à Pierre Binétruy, hélas décédé, Jean Iliopoulos a argumenté, avec raison, pour que l'on parle désormais de la théorie standard plutôt que du modèle standard après la découverte du boson de BEH et la précision des mesures confirmant sa validité. C'est donc un triomphe spectaculaire. Mais, pour le moment, c'est aussi potentiellement un désastre car nous n'avons toujours pas la moindre indication d'une nouvelle physique dans les résultats des mesures concernant les produits des collisions de protons au LHC. Pire, le triomphe de la théorie standard pourrait indiquer qu'il est à tout jamais hors de portée de la technologie humaine de mettre en évidence directement cette nouvelle physique car nous ne seront jamais capable de construire des accélérateurs assez puissants pour cela (ils pourraient devoir être de la taille de la Voie lactée).

Tout espoir n'est cependant pas perdu. Il est en effet possible d'améliorer encore la précision de ces mesures 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 pause 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.

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

Des faisceaux de protons 5 à 7 fois plus lumineux avec le HL-LHC

C'est pourquoi, depuis des années, les ingénieurs et physiciens du Cern étaient engagés dans la conception d'un LHC à haute luminosité (HL-LHC) permettant de passer d'environ un milliard de collisions proton-proton par seconde à 5, voire 7 milliards de collisions par seconde, ce qui devrait permettre d'accumuler environ 10 fois plus de données entre 2026 et 2036, au moment où le HL-LHC partira à son tour à la chasse à de la nouvelle physique.

Or, le laboratoire européen vient de faire savoir dans un communiqué que les travaux de génie civil pour le HL-LHC avaient commencé. Ceux-ci permettront d'installer dans des tunnels et des halls souterrains de nouveaux équipements cryogéniques et systèmes d'alimentation électrique associés à de nouveaux et nombreux composants de haute technologie tels que des aimants supraconducteurs et des cavités radiofréquences. L'objectif est notamment de se servir d'environ 130 nouveaux aimants pour comprimer les paquets de protons, et, donc, augmenter la luminosité des faisceaux.

Comme l'a dit Fabiola Gianotti, directrice générale du Cern, « le LHC à haute luminosité étendra la portée du LHC au-delà de sa mission initiale, apportant de nouvelles opportunités de découvertes, de mesurer avec plus grande précision les propriétés de particules comme le boson de Higgs et de sonder encore plus profondément les constituants fondamentaux de l'univers». Espérons qu'il permettra de valider la théorie de la supersymétrie, voire de découvrir que les particules de matière sont en fait composées de rishons.

  • Augmenter le nombre de collisions par seconde avec des faisceaux de protons permet d'augmenter la production de particules ou de réactions rares, et donc d'étudier celles-ci plus facilement en un temps raisonnable, plus court qu'une vie de chercheur de préférence !
  • Il faut, pour cela, augmenter la luminosité de ces faisceaux comme on augmenterait celle d'un faisceau de lumière pour faire une bonne photographie.
  • Le Cern a entrepris de construire une version améliorée du LHC, le HL-LHC, un LHC à haute luminosité pour chasser de la nouvelle physique qui se cacherait dans ces évènements rares.
Pour en savoir plus

Le HL-LHC aura une luminosité dix fois supérieure à celle du LHC

Article de Laurent Sacco publié le 05/11/2015

Pour découvrir des particules de matière noire, le LHC devra peut-être produire des faisceaux de protons plus « lumineux », au sens des physiciens. Les chercheurs du Cern y travaillent dans le cadre du projet d'un LHC à haute luminosité, le HL-LHC. Il devrait entrer en fonction à l'horizon 2025.

Avec le LHC, l'Europe est le leader incontesté de la physique des particules élémentaires et elle entend bien le rester pour au moins encore une décennie et probablement plus, comme le montre une récente réunion qui s'est tenue au Cern. Plus de 230 scientifiques et ingénieurs étaient présents pour discuter du projet d'un LHC à haute luminosité, le High Luminosity Large Hadron Collider, ou HL-LHC. Rappelons que pour un physicien des hautes énergies, la découverte de nouvelles particules et l'investigation de leurs propriétés ne sont pas qu'une question d'énergie mais aussi de luminosité.

En effet, quand il s'agit de détecter des nouvelles particules dont la production est rare, il faut employer des faisceaux de particules d'autant plus intenses pour multiplier le nombre de collisions par seconde, faute de quoi des siècles d'observations seraient parfois nécessaires pour annoncer une découverte. La situation est la même qu'en astronomie pour photographier une source peu lumineuse, par exemple parce qu'elle est lointaine. Soit il faut un temps de pause très long, soit il faut augmenter le nombre de photons collectés avec un télescope de plus grand diamètre.

D'ici à 2040, le Cern devrait voir se succéder plusieurs projets d'accélérateurs. Le HL-LHC et LHeC – s'il voit le jour – opèreront en parallèle durant plusieurs années. © Cern-Anaïs Schaeffer

Le HL-LHC produira 15 millions de bosons de Brout-Englert-Higgs par an

Comme l'explique un communiqué de Cern, le projet HL-LHC vient de dépasser la phase d'étude théorique de sa conception, qui a duré 4 ans. Il en est à la phase d'expérimentation et de développement industriel avec des prototypes des nouveaux dispositifs qui équiperont ce nouveau géant de la physique des particules. On prévoit d'équiper 1,2 km du LHC avec de nouveaux aimants quadripolaires supraconducteurs fonctionnant à 12 teslas pour focaliser les faisceaux de protons (la répulsion électrostatique de ces particules ayant tendance à dilater ces faisceaux et donc à réduire leur luminosité) et, pour les accélérer, de nouvelles cavités à radiofréquences supraconductrices.

Si tout se passe comme prévu, la luminosité du nouveau LHC devrait avoir été multipliée par 10 à l'horizon 2025. En pratique, cela signifie par exemple qu'il produira chaque année 15 millions de bosons de Brout-Englert-Higgs contre 1,2 million produits par le LHC entre 2011 et 2012. Or, plus le nombre de particules étudiées est grand, plus les mesures obtenues sont précises et peuvent trahir l'existence d'une nouvelle physique (notamment par l'examen des couplages de Yukawa).

Le Cern voit encore plus loin à l'horizon 2040 puisqu'il travaille aussi sur le concept d'un tunnel de 80 voire 100 kilomètres de long où viendrait prendre place le Very High Energy Large Hadron Collider (VHE-LHC), un collisionneur de hadrons permettant d'atteindre des énergies de 100 TeV. La Chine se prépare à entrer dans la course et elle envisage elle aussi la construction d'une machine similaire, le SPPC (Super Proton-Proton Collider), mis en service à la même date.

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