Le LHC se prépare à un arrêt de plusieurs années

Une pause planifiée sous Genève

Dans une section de tunnel de 27 kilomètres de long sous la frontière franco-suisse, les opérateurs se préparent à mettre progressivement à l'arrêt le Grand collisionneur de hadrons (LHC) pour une pause prolongée et soigneusement programmée. Le CERN a révisé le calendrier de l'accélérateur afin que la troisième période d'exploitation (Run 3) du LHC se poursuive jusqu'en juillet 2026 ; à ce stade, la machine et sa chaîne d'injecteurs entreront dans le troisième long arrêt (LS3), une période de plusieurs années d'installation et de modernisation avant l'ère du LHC à haute luminosité.

Ce que la pause signifie en pratique

L'arrêt n'est pas une simple mise hors tension brutale, mais une séquence complexe de périodes d'accès planifiées, de travaux de génie civil et d'installation d'équipements qui transformeront à la fois l'accélérateur et les quatre grandes expériences situées sur l'anneau. L'objectif est de préparer le LHC à fonctionner à une « luminosité » beaucoup plus élevée — le terme technique désignant le nombre de collisions qu'un collisionneur peut produire par seconde — afin que les physiciens puissent collecter des ensembles de données bien plus vastes sur des phénomènes rares. Le calendrier et les pages de projet du CERN détaillent la transition du Run 3 vers le LS3 et le début prévu du programme LHC à haute luminosité (HL-LHC) à l'horizon 2030.

Reconstruire pour décupler les données

Le LHC à haute luminosité (HL-LHC) n'est pas un dispositif unique, mais un ensemble coordonné d'améliorations portant sur les aimants, la cryogénie, l'alimentation électrique et les détecteurs eux-mêmes. Son but est d'augmenter la luminosité intégrée disponible pour les expériences d'un facteur d'environ dix sur la durée de vie du Run 4, permettant des mesures de précision du boson de Higgs et la recherche de processus extrêmement rares, impossibles à observer aujourd'hui. La campagne d'installation est d'une ampleur et d'une durée considérables : les communications de projet au sein de la collaboration HL-LHC décrivent un programme de travail intensif durant le LS3, s'étendant sur plusieurs années d'activité en tunnel et en surface.

Pourquoi l'augmentation de la luminosité est cruciale

Davantage de collisions signifient deux choses pour la physique des particules. Premièrement, cela améliore la précision des mesures — par exemple, des propriétés du boson de Higgs — ce qui peut révéler d'infimes écarts par rapport au Modèle standard, signes d'une nouvelle physique. Deuxièmement, cela augmente les chances d'observer des processus très rares ou de nouvelles particules dont les taux de production sont infimes. Le HL-LHC est essentiellement un moteur statistique : construisez-le et vous donnerez aux expérimentateurs la matière première dont ils ont besoin pour explorer plus profondément les lois de la nature.

Ce que les ingénieurs feront sous terre

Le LS3 sera une phase essentiellement consacrée à l'ingénierie. Les équipes installeront et mettront en service de nouveaux circuits supraconducteurs et systèmes d'aimants, monteront des aimants triplets internes améliorés près des points de collision, déploieront une instrumentation de faisceau perfectionnée et ajouteront du matériel novateur tel que des cavités « crabe » qui optimisent le chevauchement effectif des collisions. Les collaborations des détecteurs remplaceront ou amélioreront de manière significative les sous-systèmes sensibles — trajectographes, calorimètres et électronique de lecture — afin qu'ils puissent fonctionner dans l'environnement de radiation et d'empilement (pile-up) plus intense qu'entraîne une luminosité plus élevée. Beaucoup de ces activités nécessitent des mois d'accès ininterrompu aux cavernes et aux infrastructures du tunnel.

Logistique et partage du travail international

Parce que le LHC et ses expériences sont des entreprises internationales, le programme du LS3 est réparti entre les laboratoires et les industries des États membres et des instituts partenaires. La production des composants du HL-LHC est déjà en cours dans de nombreux pays, et la fenêtre d'arrêt est la seule période pratique pour assembler, expédier, installer et tester ces systèmes in situ. Le calendrier prévoit des marges prudentes pour valider les installations avant la remise en service de la machine, car la complexité et l'énergie stockée dans les systèmes supraconducteurs laissent peu de place à l'erreur.

La science ne s'arrêtera pas dans le silence

Même en l'absence de faisceaux, la production scientifique devrait rester intense. Les physiciens analyseront l'énorme ensemble de données du Run 3, produisant des mesures, des contre-vérifications et des recherches. Les mises à jour des logiciels, des algorithmes de reconstruction et de l'infrastructure informatique font partie intégrante de la pause : la communauté profite de ce temps d'arrêt pour améliorer les chaînes d'analyse, retraiter les données avec de meilleurs étalonnages et entraîner de nouveaux modèles pour la soustraction du bruit de fond et la détection d'anomalies. Comme l'ont souligné les commentateurs et la direction du CERN, cette interruption offre au domaine une chance de digérer ce qui a déjà été collecté et d'affiner les questions auxquelles le HL-LHC devra répondre.

Énergie, environnement et exploitation

Les grands accélérateurs sont des installations gourmandes en énergie, et le CERN suit la consommation et l'impact dans le cadre des discussions sur la modernisation. L'organisation a publié des rapports sur l'environnement et l'énergie détaillant la consommation d'électricité annuelle et les objectifs visant à contenir la croissance de la consommation, même si les performances augmentent. Certains composants de la machine (notamment les systèmes cryogéniques qui maintiennent les aimants à l'état supraconducteur) consomment une puissance importante même sans faisceaux ; les dimensions opérationnelles et environnementales sont donc intégrées dans la planification du calendrier et de la maintenance.

Coûts, politique et futur des collisionneurs

Le LS3 et le HL-LHC constituent la prochaine étape pragmatique pour extraire davantage de physique de l'anneau existant, mais les planificateurs esquissent parallèlement des successeurs à plus long terme. Le CERN et ses partenaires ont publié des études de conception pour un projet de Futur collisionneur circulaire (FCC), un anneau d'environ 91 kilomètres qui se situerait aux côtés du LHC ou finirait par le remplacer. La proposition FCC en est au stade des plans et nécessitera des décisions des États membres ainsi que des engagements financiers massifs avant de pouvoir se concrétiser. La manière dont les nations équilibreront l'investissement dans le HL-LHC, les futurs collisionneurs et d'autres priorités de recherche façonnera la feuille de route de la physique des particules pour les décennies à venir.

Ce qu'il faut surveiller

Au cours des 18 prochains mois, surveillez trois points : l'achèvement de la collecte des données du Run 3 et les articles qui suivront, les rapports d'avancement du projet HL-LHC à mesure que les composants majeurs terminent leurs phases de test et de fabrication, et le calendrier politique pour les décisions de financement des futures grandes installations. Chacun de ces éléments influencera non seulement l'exécution de l'arrêt, mais aussi ce que la communauté choisira de mesurer lorsque le collisionneur sera remis en service.

La pause du LHC est donc à la fois un défi technique et une remise à zéro calme et délibérée. La machine qui redémarrera au début des années 2030 aura une personnalité différente — conçue non pas pour augmenter son énergie, mais pour accumuler des collisions à un rythme que les instruments actuels peuvent à peine imaginer. Pour les physiciens et les ingénieurs, l'arrêt est le moment où la prochaine génération de découvertes est élaborée, panneau par panneau et aimant par aimant ; pour le public et les décideurs, c'est un rappel que l'ère des grandes infrastructures scientifiques alterne souvent entre des périodes de prise de données intensives et de longues phases de construction minutieuse.

Sources

• CERN (communiqués de presse et mises à jour du calendrier)
• Documentation de projet et rapports techniques du LHC à haute luminosité (HL-LHC)
• Communications et rapports d'étape de l'expérience CMS
• Communications de l'expérience ATLAS
• Communications de l'expérience LHCb