Percer un peu plus les secrets de la matière : voici l’objectif du LHC du Cern de Genève. Dix ans après sa découverte du boson de Higgs, le plus grand et plus puissant accélérateur de particules au monde redémarre ce mardi à une énergie de collision record.

Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) a été remis en route en avril, après un arrêt technique de trois ans, pour des travaux de maintenance et d’amélioration de sa production et détection de particules. Il va fonctionner à sa pleine puissance de collision de 13,6 milliards de milliards d’électronvolts (TeV) pendant quatre ans, ont annoncé les responsables de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (Cern) dans un point de presse la semaine dernière.

1,6 milliard de collisions par seconde

Ses deux faisceaux de protons, accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière, vont circuler en sens opposé dans l’anneau de 27 km, enfoui à 100 mètres sous terre à la frontière franco-suisse. Les détecteurs de plusieurs expériences (notamment ATLAS, CMS, ALICE et LHCb) vont alors enregistrer les collisions de protons, qui produisent des particules éphémères expliquant le fonctionnement de la matière.

« Nous visons un taux de 1,6 milliard de collisions proton-proton par seconde pour les expériences ATLAS et CMS », a indiqué jeudi Mike Lamont, directeur des accélérateurs et de la technologie au Cern. Plus ces collisions sont violentes, plus elles permettent de « casser » les particules pour identifier leurs composants et leurs interactions.

Le boson de Higgs, une découverte majeure

Le temple mondial de l’infiniment petit, construit en 2008, a permis la découverte du boson de Higgs, annoncée il y a exactement dix ans par Fabiola Gianotti, alors coordinatrice de l’expérience CMS et aujourd’hui directrice générale du Cern. « Le boson de Higgs est lié à certaines des questions les plus profondes de la physique fondamentale, qu’il s’agisse de la structure et la forme de l'Univers, comme de la façon dont s’organisent les autres particules », selon la chercheuse.

Sa découverte a révolutionné la physique, en confirmant la prédiction des chercheurs qui en avaient fait, près de 50 ans auparavant, une pièce maîtresse du Modèle standard de la physique des particules (SM). Le boson de Higgs est la manifestation d’un champ, c’est-à-dire un espace, qui donne une masse à des particules élémentaires formant la matière.

Les chercheurs ont pu le débusquer grâce à l’analyse d’environ 1,2 milliard de milliards de collisions de protons entre eux. La troisième période d’exploitation du LHC qui s’ouvre mardi va multiplier ce chiffre par vingt. « C’est un accroissement significatif qui ouvre la voie à de nouvelles découvertes », relève Mike Lamont.

Encore des secrets à délivrer

Car le boson de Higgs n’a pas livré tous ses secrets. A commencer par sa nature. « S’agit-il d’une particule fondamentale ou bien composite », à savoir un assemblage de plusieurs particules encore inconnues, interroge Joachim Mnich, directeur de la Recherche et du Calcul au Cern. Mieux, « est-ce la seule particule de Higgs existante ou y en a-t-il d’autres ? »

Neuf expériences vont ainsi mettre à profit la production de particules de l’accélérateur. Comme ALICE, qui étudie le plasma primordial de matière qui prévalait dans les dix premières microsecondes après le Big Bang. Ou LHCf, qui simule des rayons cosmiques.

L’étape suivante du grand collisionneur interviendra après la troisième pause, en 2029, avec son passage à la « haute luminosité », qui multipliera par dix le nombre d’événements détectables. Au-delà encore, les chercheurs du Cern regardent vers le projet de Futur collisionneur circulaire (FCC), un anneau de 100 km dont l’étude de faisabilité est attendue fin 2025. « Ce sera la machine ultime pour étudier le boson de Higgs, qui est un outil très puissant pour comprendre la physique fondamentale », a conclu Fabiola Gianotti.