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Le Cern planche déjà sur les successeurs du LHC

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Si le LHC ne nous révèle pas des traces d'une nouvelle physique cette l'année, son éventuelle découverte devra attendre au moins 2015 lorsque des collisions s'y produiront de nouveau, à plus hautes énergies. De toute façon, des successeurs du LHC jusqu'à l'horizon 2040, dont un grand collisionneur de protons et d'électrons, sont déjà à l'étude.

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

Pendant l'année 2012, des collisions à 8 TeV vont se produire dans les détecteurs Atlas et CMS du LHC. On en attend la révélation de l'existence du boson de Higgs, et plus encore des signes d'une nouvelle physique (surtout sous forme de particules de matière noire), fussent-ils par l'intermédiaire des caractéristiques du boson de Higgs. Dans le cas contraire, il faudra probablement s'armer de patience car à la fin de l'année 2012, les collisions cesseront pendant deux ans !

Certes, avant la reprise des collisions au début de l'année 2015 à des énergies de 14 TeV, les données enregistrées jusqu'en 2012 continueront d'être analysées. Elles pourraient révéler quelques surprises. Mais si la mise en évidence d'une physique nouvelle nécessite des énergies supérieures à 8 TeV et une plus grande luminosité des faisceaux de protons, il faudra attendre probablement au moins le milieu de l'année 2015 pour son exploration. 

Comme l'explique une vidéo du Cern, dans un accélérateur de particules, la luminosité est un facteur déterminant. En effet, quand il s'agit de détecter des nouvelles particules dont la production est rare, il faut employer des faisceaux d'autant plus intenses pour multiplier le nombre de collisions, faute de quoi des siècles d'observations seraient nécessaires pour annoncer une découverte concernant un tel événement.


Un bref tour guidé du Cern. © CernTV, YouTube

Physiciens et ingénieurs réfléchissent depuis des années à des versions améliorées du LHC, un super-LHC, avec une luminosité et des énergies accrues. De 2013 à 2015, les deux années consacrées à une augmentation des capacités du LHC ne seront qu'une première étape. Si tout se passe bien, d'autres arrêts techniques du même genre suivront en 2018 et 2022 avec finalement la réalisation d'un LHC à haute luminosité (HL-LHC), beaucoup plus puissant que la machine actuelle.

Un LHC à haute énergie vers 2040 ?

Les chercheurs voient encore plus loin. Si de la nouvelle physique est découverte pendant cette période, et même dans l'hypothèse où il faudra continuer de la chercher, son exploration ne pourra vraiment se poursuivre qu'avec des mesures plus fines de certains paramètres du modèle standard, comme les valeurs des constantes de couplage des forces à hautes énergies ainsi que celles du champ de Higgs avec les quarks et les leptons. Pour cela, ils réfléchissent à un grand collisionneur d'électrons et de hadrons, le LHeC.

Un accélérateur d'électrons serait adjoint au LHC amélioré du futur pour faire l'équivalent des expériences de collisions électrons-protons débutées il y a longtemps par Robert Hofstadter et poursuivies par des chercheurs comme Burton Richter. Elles avaient permis de découvrir la structure en quark de la matière. Celles du LHeC pourraient nous montrer que les électrons et les quarks sont composites. Des mesures à 0,1 % des valeurs des constantes de couplages du modèle standard avec le LHeC pourraient aussi nous renseigner sur des théories de type GUT.

Une machine encore plus futuriste est à l'étude, il s'agit du LHC à haute énergie (HE-LHC), dont le début de la construction est prévu pour 2025. Vers 2040, une telle machine permettrait d'accélérer des faisceaux à des énergies de 16,5 TeV et donc permettre des collisions de protons à 33 TeV.

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