Le programme « Physique au-delà des collisionneurs » est une étude exploratoire orientée vers l’exploitation de l’ensemble du potentiel scientifique du complexe d’accélérateurs et des zones d’expérience du CERN. Lancée en 2016, cette étude cherche à répondre à des questions encore en suspens de la physique des particules, au moyen d’un large éventail de nouveaux projets venant compléter les grandes expériences du programme de collisionneurs du Laboratoire.
Nombre de ces projets sont liés à des expériences de la zone Nord du CERN, où des faisceaux de particules issus du Supersynchrotron à protons (SPS) sont envoyés sur des cibles fixes. On peut citer par exemple l’expérience NA64, qui recherche d’hypothétiques particules interagissant faiblement qui pourraient expliquer l’origine de la matière noire dans l’Univers ; une nouvelle expérience, appelée SHiP, qui NA64 dans cette recherche ; l’expérience AMBER, qui mesure les propriétés fondamentales du proton et d’autres hadrons afin de mieux comprendre la chromodynamique quantique (théorie de la force forte).
L’étude « Physique au-delà des collisionneurs » comprend également de nouveaux projets liés au LHC. Les expériences FASER et SND@LHC, qui ont marqué l’entrée dans l’ère des neutrinos produits dans des collisionneurs, figurent parmi les réussites des propositions d’expérience soutenues dans le cadre de cette étude. Il a été proposé que d’autres détecteurs relevant de ce programme soient installés à différentes distances des grandes expériences du LHC. C’est le cas de milliQan, qui a été installé à 33 m de l’expérience CMS pour rechercher de nouvelles particules « millichargées » ayant une charge beaucoup plus petite que celle de l’électron.
Parmi les futurs projets proposés figure l’expérience Physique aux petits angles (Forward Physics Facility), qui serait implantée à environ 600 m du détecteur ATLAS. Elle accueillerait tout un ensemble de détecteurs conçus pour l’exploration d’une grande variété de nouveaux phénomènes physiques et pour l’étude des neutrinos ayant l’énergie la plus élevée produits par des accélérateurs. Ces détecteurs seraient notamment FORMOSA, qui vise à étendre la recherche de particules millichargées, ou encore FASER2, FASERn2 et FLArE.
Le programme « Physique au-delà des collisionneurs » comprend également des études avec cibles fixes utilisant les faisceaux du LHC. C’est le cas du dispositif SMOG2, dont le principe consiste à injecter des gaz dans la zone de collision du LHC, ouvrant de nouvelles perspectives dans l’étude de l’interaction forte et de la physique des astroparticules au LHC. D’autres projets avec des cibles fixes consistent à dévier les protons du halo du faisceau du LHC à l’aide de cristaux courbés. Un dispositif utilisant une fine cible de tungstène placée entre deux cristaux permettrait d’étudier les propriétés électriques et magnétiques de particules lourdes à courte durée de vie composées de trois quarks, dont au moins un quark étrange, charmé ou bottom.
Le programme « Physique au-delà des collisionneurs » prévoit en outre des projets de physique nucléaire, de physique atomique et de physique des astroparticules qui bénéficieraient du savoir-faire et de l’expérience du CERN. Il s’agit par exemple d’AION, grand interféromètre atomique qui serait installé dans l’un des puits du point 4 du LHC en vue de recherches sur la matière noire et les ondes gravitationnelles, et de Gamma Factory, nouveau concept qui produirait des rayons X et gamma très brillants en projetant un faisceau laser sur un faisceau d’ions partiellement « épluchés » de haute énergie circulant dans le SPS ou le LHC.