Large Hadron Collider - Définition

Historique

Le projet de construire un grand collisionneur de hadrons fut officiellement approuvé en décembre 1994, pour succéder au LEP. Les quatre grands détecteurs installés (ATLAS, CMS, ALICE et LHCb) furent approuvés entre 1996 et 1998. Sa mise en service était initialement prévue pour 1999 mais des retards multiples, techniques et financiers, la repoussèrent successivement à la fin de l'année 2007 puis à la fin de l'été 2008. L'arrêt du LEP eut finalement lieu en 2000, et son démantèlement, suivi du début de la construction du LHC, eut lieu presque immédiatement après. Un débat eut lieu en 2000 lors de l'arrêt du LEP. Celui-ci produisit des résultats ambigus aux plus hautes énergies auxquelles il pouvait fonctionner (un peu plus de 200 GeV), suggérant la mise en évidence du boson de Higgs, une particule prédite par le modèle standard de la physique des particules. L'opportunité de prolonger la durée de vie du LEP afin de confirmer ce résultat fut opposée à celle de démanteler le LEP afin de construire le LHC le plus rapidement possible. Ce fut finalement la seconde solution qui fut retenue, la sensibilité du LEP étant considérée comme insuffisante pour confirmer de façon indiscutable l'existence du boson de Higgs, et le risque que le boson de Higgs soit découvert dans l'intervalle par le Tevatron, installé aux États-Unis, étant considéré comme limité.

Un projet d'accélérateur similaire mais plus puissant (énergie de 20 TeV par proton au lieu de 7 pour le LHC) avait également été proposé aux États-Unis, le Superconducting Super Collider (SSC), mais fut abandonné pour diverses raisons budgétaires en 1993.

Le coût total du projet est pour le CERN de 6 milliards de francs suisses. La construction du LHC lui-même se monte à 4,6 milliards de francs suisses, dont une masse salariale de 20%. La part financée par le CERN dans la construction des détecteurs se monte à 1,1 milliard de francs suisses, plus une contribution majoritaire hors CERN (le CERN finance 20 % de CMS et LHCb, 16 % de ALICE et 14 % de ATLAS). Un peu moins de 300 millions de francs suisses ont été également investis dans l'amélioration de l'injecteur (la chaîne d’accélérateurs qui produit les faisceaux et les injecte dans l'anneau principal) et les moyens informatiques. Tous les éléments de l'accélérateur et de ses expériences (détecteurs) étaient en place fin 2007-début 2008.

Médiatisation de craintes autour des conséquences de la mise en opération

Si la presse scientifique a surtout souligné les enjeux scientifiques de l'expérience, un des aspects les plus traités par la presse généraliste est constitué par les actions en justice de quelques scientifiques qui demandent la suspension de l'expérience par crainte de création de micro trous noirs au LHC. En astrophysique, un trou noir est décrit comme un objet engloutissant tout sur son passage, mais les trous noirs microscopiques susceptibles d'être créés au LHC ne partageraient pas cette propriété. Dans le cas où ils seraient néanmoins produits, ils seraient, du fait de leur masse, soumis au phénomène d'évaporation des trous noirs prédit par Stephen Hawking en 1975 et disparaîtraient avant d'avoir eu le temps d'absorber la matière environnante. Le phénomène d'évaporation des trous noirs n'ayant jamais été observé expérimentalement, et étant méconnu du grand public, les risques de l'expérience n'ont pas pu être réfutés formellement et sont devenus un sujet populaire.

Le 21 mars 2008, deux personnes, Walter L. Wagner et Luis Sancho ont cependant intenté un procès au CERN devant la cour d'Honolulu à Hawaï au motif que le collisionneur pourrait se révéler dommageable d'une manière ou d'une autre, par exemple en créant un trou noir. Leur plainte a été jugée recevable, pour être ensuite définitivement rejetée. Une autre plainte a été déposée, fin août 2008, en Europe, devant la Cour européenne des droits de l’homme de Strasbourg pour les mêmes raisons. La plainte a finalement été rejetée quelques jours plus tard.

À la suite de ces affaires, plusieurs chercheurs, puis le CERN, ont publié divers documents sur la sécurité du LHC, concluant que l'accélérateur est sûr. Le principal argument mis en avant est que la haute atmosphère terrestre, et en fait tous les corps célestes, sont continuellement bombardés de particules très énergétiques, les rayons cosmiques. L'énergie dégagée par ces collisions peut parfois être bien supérieure à celle mise en jeu dans un accélérateur de particules sur Terre comme le LHC, aussi sont-ils certains que quels que soient les effets secondaires de ces réactions, ils ne seront pas dangereux pour la biosphère, sans quoi elle n'aurait pu se développer pendant plusieurs milliards d'années.

La crainte que des collisions de particules élémentaires donnent lieu à un événement catastrophique n'est pas nouvelle, elle remonte à près de dix ans. Lors de la mise en service du collisionneur d'ions lourds Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) du Laboratoire national de Brookhaven (État de New York), le physicien Alvaro de Rujula et deux collaborateurs avaient imaginé un scénario catastrophe susceptible, en principe, de provoquer la destruction de la Terre. L'affaire avait à l'époque également suscité suffisamment d'intérêt pour nécessiter une analyse détaillée expliquant l'innocuité d'une telle expérience.

Premier faisceau dans le LHC

Le LHC a été finalement lancé le 10 septembre 2008. Un communiqué de presse du CERN a rapporté en ces termes l'injection du premier faisceau dans l'accélérateur : « Moment historique dans le Centre de contrôle : le faisceau vient d'effectuer un tour complet de l'accélérateur. Genève, 10 septembre 2008. À 10h28 ce matin, le premier faisceau injecté dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN a fait le tour complet de l’anneau de 27 kilomètres qui abrite l’accélérateur de particules le plus puissant du monde. Cet événement historique marque la transition vers une nouvelle ère de découvertes scientifiques qui se prépare depuis plus de vingt ans ».

Le LHC a été arrêté une première fois quelques jours après, en raison d'un problème électrique affectant le système de refroidissement. Il a été remis en route le 18 septembre 2008, avant d'être de nouveau arrêté, et pour un peu plus d'une année, à cause d'un incident lors d'un test. Selon un communiqué du CERN, le problème vient d'une importante fuite d'hélium survenue dans le tunnel. Cette fuite a été occasionnée par un problème de connexion électrique qui a entraîné la fonte de deux aimants.

L'accélérateur a été redémarré le 23 octobre 2009 avec l'injection de protons et d’ions lourds et le 7 novembre 2009, les premières particules étaient détectées dans le détecteur CMS.

Le 20 novembre 2009, le faisceau de protons réalise de nouveau plusieurs tours complets du collisionneur. Le redémarrage se fait progressivement à une énergie de 1,2 TeV maximum dans un premier temps. Le 30 novembre 2009, le CERN indique avoir fait circuler dans le LHC le faisceau le plus énergétique du monde en ayant conféré aux protons une énergie de 1,18 TeV battant le record établi précédemment par l’accélérateur de particules américain Tevatron.

Premières collisions

Le lundi 23 novembre 2009, marque la première collision de faisceaux de particules au sein de l'instrument. En début d'après-midi, après que deux faisceaux aient circulé en sens inverses, ils se sont rencontrés au niveau du détecteur Atlas. Puis, plus tard dans la soirée, l'expérience a été renouvelée aux niveaux des détecteurs CMS, ALICE et LHCb. Le 28 novembre 2009, les physiciens de la collaboration ALICE ont publié sur arXiv, un papier sur les premières collisions de protons au sein de ce détecteur. Le 8 décembre 2009, les collisions de particules les plus énergétiques produites dans un accélérateur ont eu lieu. L'énergie totale a atteint 2,36 TeV battant ainsi le précédent record du Tevatron.

À partir de mi-décembre 2009 a eu lieu un arrêt technique qui s'est achevé fin-février 2010; le but était de préparer la machine à une exploitation à 3,5 TeV par faisceau pendant l'année 2010. Cela a permis d'atteindre des collisions avec une énergie totale de 7 TeV, bien qu'avec une luminosité encore très inférieure à la cible nominale du LHC. Les premières collisions à une énergie de 7 TeV dans le centre de masse ont été effectuées le 30 mars 2010. Le mois de mai a permis un accroissement par 6 de l'intensité des faisceaux et par 60 de la luminosité des collisions.