Début des travaux visant à doper la luminosité du LHC

Accelerators
Vue du LHC (Image: CERN)

Genève, le 15 juin 2018. Une nouvelle étape commence officiellement pour le Grand collisionneur de hadrons (LHC). Une cérémonie a lieu aujourd’hui au CERN1 pour marquer le premier coup de pioche et le début des travaux de génie civil pour le LHC à haute luminosité (HL-LHC) : un nouveau chapitre dans l’histoire du Laboratoire. D’ici 2026, cette amélioration majeure aura considérablement accru la performance du LHC en multipliant le nombre de collisions qui se produisent au cœur des grandes expériences, ce qui fera augmenter la probabilité de découvrir de nouveaux phénomènes.  

Le LHC a commencé à faire entrer en collision des particules en 2010. À l’intérieur du tunnel de 27 km de circonférence, des paquets de protons voyagent à une vitesse proche de celle de la lumière, et entrent en collision aux quatre points d’interaction. Ces collisions engendrent de nouvelles particules, qui sont enregistrées par les détecteurs entourant les points d’interaction. Les collisions sont ensuite analysées par des physiciens du monde entier, qui approfondissent ainsi nos connaissances des lois de la nature. 

Si le LHC est capable de produire jusqu’à un milliard de collisions proton-proton par seconde, le HL-LHC fera augmenter ce nombre, que les physiciens appellent « luminosité ». Cette luminosité sera améliorée d’un facteur de cinq à sept, ce qui permettra d’accumuler environ 10 fois plus de données entre 2026 et 2036. Cela signifie que les physiciens pourront étudier des phénomènes rares et réaliser des mesures plus précises. Le LHC a par exemple permis de découvrir le boson de Higgs en 2012, et de faire ainsi de grands progrès dans la compréhension de la manière dont les particules acquièrent leur masse. Le HL-LHC permettra de déterminer plus précisément les propriétés du boson de Higgs et de mesurer avec une plus grande précision comment il est produit et se désintègre et comment il interagit avec les autres particules. En outre, des scénarios allant au-delà du Modèle standard pourront être étudiés, notamment la supersymétrie (SUSY) et les théories sur les dimensions supplémentaires et sur la sous-structure des quarks (modèles composites).

« 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 », explique Fabiola Gianotti, directrice générale du CERN. 

Le projet HL-LHC a démarré comme une entreprise internationale impliquant 29 instituts de 13 pays. L’aventure a commencé en novembre 2011 ; deux ans plus tard le projet a été inscrit au rang des principales priorités de la stratégie européenne pour la physique des particules, et en juin 2016 il était formellement approuvé par le Conseil du CERN. Dans les années à venir, un grand nombre de nouveaux éléments matériels seront construits et installés, après que les prototypes auront fait leurs preuves. Des éléments de la machine actuelle représentant au total plus de 1,2 km de l’anneau devront être remplacés par de nombreux composants de haute technologie tels que des aimants, des collimateurs et des cavités radiofréquence.

L’un des secrets pour faire augmenter le taux des collisions est de comprimer le faisceau de particules aux points d’interaction, de manière à faire grimper la probabilité des collisions proton-proton. Le HL-LHC a besoin pour cela d’environ 130 nouveaux aimants, parmi lesquels 24 nouveaux quadripôles de focalisation supraconducteurs, dont la mission est de focaliser le faisceau, et quatre dipôles supraconducteurs. Ces quadripôles et dipôles atteindront un champ d’environ 11,5 teslas ; en comparaison, les dipôles actuellement utilisés dans le LHC atteignent 8,3 teslas. Seize « cavités-crabe » flambant neuves seront également installées afin de maximiser le recoupement des paquets de protons aux points de collision. Leur fonction est d’incliner les paquets, de sorte que ceux-ci paraissent alors avancer de côté, comme le feraient des crabes.

Un autre ingrédient essentiel pour augmenter la luminosité totale dans le LHC consiste à améliorer la disponibilité et l’efficacité de la machine. Pour cela, certains équipements devront être déplacés afin de les rendre plus accessibles lors des travaux de maintenance. Les convertisseurs de puissance des aimants seront ainsi placés dans des galeries séparées et connectés au moyen de câbles supraconducteurs novateurs, capables de transporter jusqu’à 100 kA avec une dissipation d’énergie proche de zéro.

« L’audace est omniprésente dans l’histoire du CERN ; le LHC à haute luminosité ouvre un nouveau chapitre de cette histoire, et nous projette vers l’avenir, explique Frédérick Bordry, directeur des accélérateurs et de la technologie du CERN. Cette machine permettra de mener de nouvelles recherches, et avec ses nouvelles technologies innovantes, elle sera aussi une fenêtre sur les accélérateurs du futur et sur de nouvelles applications pour la société.»

Afin de permettre que ces améliorations puissent voir le jour, d’importants travaux de génie civil sont nécessaires sur deux sites principaux, en Suisse et en France. De nouveaux bâtiments, puits, cavernes et galeries souterraines devront notamment être construits. Les tunnels et les halls souterrains accueilleront de nouveaux équipements cryogéniques, les systèmes d’alimentation électrique et différentes stations pour l’électricité, le refroidissement et la ventilation.

L’exploitation du LHC continuera pendant les travaux, avec néanmoins de longs arrêts techniques, qui permettront de faire des préparatifs pour l’amélioration à haute luminosité parallèlement aux habituelles activités de maintenance. Une fois cette amélioration majeure achevée, à partir de 2026, le LHC devrait produire des données en mode haute luminosité. En repoussant les frontières des technologies des accélérateurs et des détecteurs, il ouvrira également la voie pour les futurs accélérateurs à plus haute énergie.

Pour en savoir plus :
A propos du LHC à haute luminosité

A propos du génie du HL-LHC

Photos sélectionnées

Vidéo press clip HL-LHC (version Youtube)

Vidéo du HL-LHC en 3 minutes (version Youtube)

Versions HD disponibles ici

Communiqué de presse vidéo disponible sur Eurovision (15:00-15:15 GMT)
 

Pour référence:

L’amélioration à haute luminosité du LHC entre dans une nouvelle phase (2015)

Site web du HL-LHC

Footnote(s)

1. Le CERN, Organisation européenne pour la Recherche nucléaire, est l’un des plus éminents laboratoires de recherche en physique des particules du monde. Située de part et d’autre de la frontière franco-suisse, l’Organisation a son siège à Genève. Ses États membres sont les suivants : Allemagne, Autriche, Belgique, Bulgarie, Danemark, Espagne, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Israël, Italie, Norvège, Pays-Bas, Pologne, Portugal, République tchèque, Roumanie, Royaume-Uni, Slovaquie, Suède et Suisse. Chypre, la Serbie et la Slovénie sont États membres associés en phase préalable à l’adhésion. L’Inde, la Lituanie, le Pakistan, la Turquie et l'Ukraine sont États membres associés. Les États-Unis d’Amérique, la Fédération de Russie, le Japon, le JINR, l’UNESCO et l’Union européenne ont actuellement le statut d’observateur.

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