Les titans du Cern

Depuis 2009, le LHC accélère deux faisceaux de particules en sens inverse dans un tunnel de 27 kilomètres de circonférence. Il se situe à 100 mètres de profondeur en moyenne, à la frontière franco-suisse.

Les collisions de particules sont provoquées au croisement des faisceaux, à quatre endroits précis, où sont installés les détecteurs géants Alice, Atlas, CMS et LHCb.

Le premier accélérateur du Cern, le SynchroCyclotron (SC), entre en fonctionnement en 1957. Il alimente en particules de nombreuses expériences de physique jusqu’en 1990.

L’année 1960 marque la mise en service du Synchrotron à protons (PS), un accélérateur souterrain en forme d’anneau qui est le plus puissant de son époque. Toujours en fonctionnement aujourd’hui, le PS fournit des faisceaux de particules au LHC.

Depuis 1967, l’installation Isolde produit des noyaux atomiques radioactifs instables. Leur étude est utile à la physique nucléaire, la médecine ou encore l'électronique.

Dans les années 1950 et 1960, les chambres à bulles permettent d’observer les trajectoires des particules. La Grande chambre à bulles européenne, utilisée dans les années 1970, en est un exemple. Les particules produisent des bulles lors de leur passage dans de l’hydrogène liquide quasiment en ébullition.

Inventée en 1968 par le Prix Nobel Georges Charpak (à gauche), la chambre proportionnelle multifils permet alors d’enregistrer 1 000 fois plus de traces de particules que les chambres à bulles.

En 1971, les Anneaux de stockage à intersections (ISR) constituent le premier collisionneur à protons au monde. Il s’agit de deux anneaux entrelacés de 300 mètres de diamètre qui se rencontrent en huit points, et sont alimentés par le Synchrotron à protons (PS).

Cette chambre à bulles, baptisée Gargamelle en raison de son gigantisme, détecte en 1973 les « courants neutres faibles », un phénomène crucial pour la compréhension du monde des particules. L’expérience utilise un faisceau de neutrinos, des particules presque insaisissables mais très sensibles à ce phénomène.

En 1976, le Super synchrotron à protons (SPS), un tunnel de 7 kilomètres à 40 mètres sous terre, fut le premier accélérateur transfrontalier du Cern, à cheval entre la France et la Suisse. Il accélère aujourd’hui les faisceaux de particules avant leur injection dans le LHC.

En 1983, les détecteurs Underground Area 1 (en photo) et 2 permettent de découvrir les bosons massifs W et Z, les particules qui transmettent l’une des trois forces fondamentales agissant sur les particules: l’interaction faible.

En fonctionnement de 1989 à 2000, le Grand collisionneur électron-positron (LEP) fut installé dans un tunnel de 27 kilomètres creusé pour l’occasion, celui qui abrite aujourd’hui le LHC. Il est alimenté en particules par le SPS.

Quatre détecteurs polyvalents étaient installés sur le LEP pour observer les collisions entre électrons et positrons de haute énergie : Aleph (en photo ici), Delphi, L3 et Opal.

Le Décélérateur d’antiprotons (AD) est une installation unique qui, depuis l’an 2000, produit des antiprotons de basse énergie notamment utilisés pour explorer les propriétés de l’antimatière.

Au début des années 2000, NA50, une expérience portant sur les ions lourds, contribue à mettre en évidence « le plasma de quarks gluons » : un état très particulier de la matière qui aurait existé quelques microsecondes après le Big Bang.

L’étude du « plasma de quarks gluons » continue aujourd’hui grâce au détecteur Alice. Des collisions entre ions plomb y récréent les conditions nécessaires à la formation de cet état de la matière : une température et une densité extrêmes.

En 2012, deux détecteurs du LHC, CMS (à gauche) et Atlas (à droite) ont permis la découverte du boson de Higgs. Il s’agit d’une particule clé pour comprendre « l’infiniment petit ».

Le LHC fonctionnera encore une vingtaine d’années pour étudier plus finement le boson de Higgs et rechercher tous azimuts des phénomènes inconnus – la « nouvelle physique ». À plus long terme, le Cern envisage la construction d’un collisionneur de 100 kilomètres, le projet FCC (Futur collisionneur circulaire), qui permettrait d’explorer une gamme d’énergie encore plus vaste.