Aujourd’hui, le Grand collisionneur de hadrons (LHC), le plus puissant accélérateur de particules du monde, referme un chapitre extraordinaire de son histoire. À l’issue de son ultime exploitation pour la physique, l’accélérateur a été arrêté en vue du troisième long arrêt (LS3), vaste programme de travaux de maintenance, de consolidation, d’amélioration et d’installation destiné à préparer le Laboratoire au LHC à haute luminosité (HiLumi LHC), prochaine étape dans l’exploration des lois fondamentales de la nature.

Depuis la circulation de ses premiers faisceaux en septembre 2008, le LHC n’a cessé de repousser les limites de la science et de la technologie, devenant l’un des instruments scientifiques les plus ambitieux jamais construits. L’accélérateur a produit ses premières collisions de protons en 2009 et s’est rapidement imposé comme une machine à découvertes unique en son genre : au cours de ses trois périodes d’exploitation, le LHC a fourni à ses expériences des quantités de données sans précédent. 

L’un des résultats les plus marquants du LHC remonte au 4 juillet 2012, lorsque les collaborations ATLAS et CMS ont annoncé la découverte du boson de Higgs, confirmant un mécanisme proposé près d’un demi-siècle plus tôt. Dans les années qui ont suivi, le LHC a permis des centaines d’avancées majeures, notamment la découverte de plus de 85 hadrons, l’établissement de limites d’exclusion pour la découverte de nouvelles particules, l’étude du déséquilibre entre matière et antimatière, l’exploration de la nature du plasma quark-gluon, ainsi que des mesures aux implications importantes pour l’astrophysique. Connu avant tout pour ses résultats scientifiques, le LHC s’est aussi affirmé comme un véritable catalyseur d’innovation dans les domaines de la science des accélérateurs, des technologies supraconductrices, de l’informatique ou encore de la coopération internationale.

À l’heure où l’accélérateur entre dans une nouvelle phase, le CERN met à l’honneur autant les découvertes réalisées que la communauté mondiale qui les a rendues possibles. 

« Le LHC a dépassé toutes nos attentes, a déclaré Oliver Brüning, directeur des accélérateurs et de la technologie du CERN. En près de deux décennies, il a profondément transformé notre compréhension de l’Univers et inspiré des générations de scientifiques, d’ingénieurs et de citoyens à travers le monde. Aujourd’hui, nous faisons nos adieux au LHC tel que nous l’avons connu, tout en nous préparant à accueillir son successeur : le LHC à haute luminosité, qui prolongera cette aventure scientifique pour de nombreuses années. »

Le LHC à haute luminosité, qui doit entrer en service en 2030, aura une luminosité augmentée d’un facteur allant jusqu’à 10 par rapport à la machine initiale. Les scientifiques pourront ainsi collecter bien plus de données, réaliser des études de précision sur le boson de Higgs et accroître leurs chances de découvrir de nouveaux phénomènes au-delà du Modèle standard. 

Le LS3 représente la phase d’interventions la plus importante sur le complexe d’accélérateurs du CERN depuis la construction du LHC. D’ici à 2030, ce long arrêt mobilisera des milliers de spécialistes du CERN et des instituts partenaires dans le monde entier. Objectif : transformer le LHC, les injecteurs et les expériences pour les adapter à une version à haute luminosité, tout en menant des travaux de rénovation essentiels dans l’ensemble du complexe d’accélérateurs et des installations pour les expériences. Au programme : consolidation de la zone Nord (Supersynchrotron à protons – SPS) ; démontage de la cible du projet Neutrinos du CERN vers le Gran Sasso (CNGS) ; transformation de la caverne ECN3 en installation à cible fixe de haute intensité ; rénovation de l’installation ISOLDE ; et consolidation des systèmes de sécurité du personnel, du réseau électrique et des galeries techniques. 

« Le LS3 représente un chantier logistique et technique d’une ampleur et d’une complexité considérables, explique Jean-Philippe Tock, responsable de l’équipe chargée de la coordination du LS3. Rien que pour le LHC, 1,2 km d’aimants et d’éléments seront retirés et remplacés par de nouveaux équipements. À l’échelle de l’ensemble du complexe, des dizaines de projets sont prévus, mobilisant des milliers de personnes (ingénieurs, physiciens, techniciens et personnel d’appui.) »

Dans les cavernes du LHC, les expériences ATLAS et CMS feront l’objet de vastes travaux d’amélioration, au point d’en faire quasiment de nouveaux détecteurs. Pour pouvoir tirer pleinement parti des performances inédites du LHC à haute luminosité, elles devront être capables de traiter entre 140 et 200 collisions proton-proton à chaque croisement de faisceaux, contre environ 60 lors de la dernière exploitation du LHC. Il s’agira d’identifier et de sélectionner les collisions les plus intéressantes parmi plus de cinq milliards d’interactions par seconde. Pour relever ce défi, les deux expériences remplaceront entièrement leurs systèmes de déclenchement, qui permettent de sélectionner les événements les plus prometteurs pour des analyses approfondies. Ces événements seront enregistrés grâce à de nouvelles technologies de détection de pointe : systèmes de trajectographie entièrement en silicium dotés de milliards de canaux de lecture – bien plus que dans les détecteurs actuels – détecteurs de séquençage d’une précision de quelques dizaines de picosecondes, et nouveaux calorimètres capables de fonctionner à des fréquences de l’ordre du mégahertz.

Même si aucun faisceau de particules ne circulera durant cette période, l’activité scientifique du CERN n’en restera pas moins intense. Des milliers de scientifiques continueront d’analyser les vastes volumes de données accumulés durant l’ère du LHC, pour en extraire de nouveaux résultats de physique, tout en préparant les expériences aux défis à venir. 

Dès 2028, le redémarrage progressif du complexe d’accélérateurs ouvrira une nouvelle ère pour la physique des hautes énergies. Dans le sillage du LHC, le LHC à haute luminosité promet des perspectives inédites pour approfondir notre compréhension de l’Univers et explorer certaines des questions les plus fondamentales de la science.