LE HL-LHC AURA UNE LUMINOSITÉ DIX FOIS SUPÉRIEURE À CELLE DU LHC

Pour découvrir des particules de matière noire, le LHC devra peut-être produire des faisceaux de protons plus « lumineux », au sens des physiciens. Les chercheurs du Cern y travaillent dans le cadre du projet d'un LHC à haute luminosité, le HL-LHC. Il devrait entrer en fonction à l'horizon 2025.

Avec le LHC, l’Europe est le leader incontesté de la physique des particules élémentaires et elle entend bien le rester pour au moins encore une décennie et probablement plus, comme le montre une récente réunion qui s’est tenue au Cern. Plus de 230 scientifiques et ingénieurs étaient présents pour discuter du projet d’un LHC à haute luminosité, le High Luminosity Large Hadron Collider, ouHL-LHC. Rappelons que pour un physicien des hautes énergies, la découverte de nouvelles particules et l’investigation de leurs propriétés ne sont pas qu’une question d’énergie mais aussi de luminosité.

En effet, quand il s'agit de détecter des nouvelles particules dont la production est rare, il faut employer des faisceaux de particules d'autant plus intenses pour multiplier le nombre de collisions par seconde, faute de quoi des siècles d'observations seraient parfois nécessaires pour annoncer une découverte. La situation est la même qu’en astronomie pour photographier une source peu lumineuse, par exemple parce qu’elle est lointaine. Soit il faut un temps de pause très long, soit il faut augmenter le nombre de photons collectés avec un télescope de plus grand diamètre.

D'ici à 2040, le Cern devrait voir se succéder plusieurs projets d'accélérateurs. Le HL-LHC et LHeC – s'il voit le jour – opèreront en parallèle durant plusieurs années. © Cern-Anaïs Schaeffer

Le HL-LHC produira 15 millions de bosons de Brout-Englert-Higgs par an

Comme l’explique un communiqué de Cern, le projet HL-LHC vient de dépasser la phase d’étude théorique de sa conception, qui a duré 4 ans. Il en est à la phase d’expérimentation et de développement industriel avec des prototypes des nouveaux dispositifs qui équiperont ce nouveau géant de la physique des particules. On prévoit d’équiper 1,2 km du LHC avec de nouveaux aimantsquadripolaires supraconducteurs fonctionnant à 12 teslas pour focaliser les faisceaux de protons(la répulsion électrostatique de ces particules ayant tendance à dilater ces faisceaux et donc à réduire leur luminosité) et, pour les accélérer, de nouvelles cavités à radiofréquences supraconductrices.

Si tout se passe comme prévu, la luminosité du nouveau LHC devrait avoir été multipliée par 10 à l’horizon 2025. En pratique, cela signifie par exemple qu'il produira chaque année 15 millions debosons de Brout-Englert-Higgs contre 1,2 million produits par le LHC entre 2011 et 2012. Or, plus le nombre de particules étudiées est grand, plus les mesures obtenues sont précises et peuvent trahir l’existence d’une nouvelle physique (notamment par l’examen des couplages de Yukawa).

Le Cern voit encore plus loin à l’horizon 2040 puisqu’il travaille aussi sur le concept d’un tunnel de 80 voire 100 kilomètres de long où viendrait prendre place le Very High Energy Large Hadron Collider(VHE-LHC), un collisionneur de hadrons permettant d’atteindre des énergies de 100 TeV. La Chine se prépare à entrer dans la course et elle envisage elle aussi la construction d’une machine similaire, le SPPC (Super Proton-Proton Collider), mis en service à la même date