Grand collisionneur de hadrons
Le LHC est l’accélérateur de particules le plus grand et le plus puissant du monde. C’est un anneau de 27 kilomètres de circonférence, formé de milliers d’aimants supraconducteurs et doté de structures accélératrices pour accroître l’énergie des particules à chaque passage.
About
Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) est l’accélérateur de particules le plus grand et le plus puissant du monde. Il accélère des protons ou des ions à une vitesse proche de celle de la lumière. La machine, entrée en service le 10 septembre 2008, est la dernière à être venue enrichir le complexe d’accélérateurs du CERN. Le LHC consiste en un anneau de 27 kilomètres de circonférence, jalonné d’aimants supraconducteurs et de structures accélératrices qui augmentent l’énergie des particules qui y circulent. Il se trouve au CERN, Organisation européenne pour la recherche nucléaire, dans un tunnel situé à 100 mètres sous terre, de part et d’autre de la frontière franco-suisse, près de Genève (Suisse).
À l’intérieur de l’accélérateur, deux faisceaux de particules de haute énergie circulent à une vitesse proche de celle de la lumière avant d’entrer en collision. Les faisceaux circulent en sens opposé, dans des tubes distincts placés sous un vide très poussé (ultravide). Ils sont guidés le long de l’anneau de l’accélérateur par un puissant champ magnétique généré par des électroaimants supraconducteurs. Ces aimants comprennent des bobines faites à partir d’un câble électrique spécial qui, parce qu’il est à l’état supraconducteur, conduit l’électricité sans la moindre résistance ni perte d’énergie. Pour cela, les aimants doivent être refroidis à -271,3 °C, une température plus froide que celle de l’espace intersidéral. Aussi une grande partie de l’accélérateur est-elle reliée à un système de distribution d’hélium liquide, qui refroidit les aimants, ainsi que d’autres systèmes annexes.
Des milliers d’aimants de types et de tailles différents guident les faisceaux le long de l’accélérateur. On utilise notamment 1 232 aimants dipolaires (de 15 mètres de long) pour courber les faisceaux et 392 aimants quadripolaires (de 5 à 7 mètres de long) pour concentrer les faisceaux. Juste avant la collision, un autre type d’aimant vient resserrer les particules et ainsi augmenter la probabilité des collisions. Réaliser une collision entre des particules aussi minuscules exige une précision comparable à celle qu’il faudrait pour faire se percuter deux aiguilles éloignées de 10 km l’une de l’autre.
Tous les systèmes servant à contrôler l’accélérateur, ses services et son infrastructure technique sont regroupés au Centre de contrôle du CERN. C’est depuis ce centre que les faisceaux du LHC sont guidés pour entrer en collision en quatre points de l’anneau où se situent quatre détecteurs de particules – ATLAS, CMS, ALICE et LHCb. Neuf expériences sont installées auprès du LHC : ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, LHCf, TOTEM, MoEDAL-MAPP, FASER et SND@LHC. Ces expériences utilisent des détecteurs pour analyser la myriade de particules produites lors des collisions dans l’accélérateur. Elles sont conduites par des collaborations de scientifiques provenant d’instituts du monde entier.
Que se passe-t-il au LHC ?
Saviez-vous que vous pouvez suivre en direct ce qui se passe dans l’accélérateur le plus puissant du monde ? « LHC Page 1 » donne un aperçu en temps réel des opérations au Grand collisionneur de hadrons. Vous pouvez ainsi voir ce qu’il s’y passe comme nos scientifiques quand ils étudient les frontières de la physique.
Foire aux questions
« Grand » parce que la circonférence du LHC est d’environ 27 km.
« Collisionneur » parce qu’il permet à deux faisceaux de particules se déplaçant en sens opposé d’entrer en collision en quatre points de la machine.
« Hadrons » parce que le LHC accélère des protons ou des ions, qui appartiennent à la famille de particules appelées « hadrons ».
Le LHC est une machine conçue pour faire avancer nos connaissances en physique fondamentale. Depuis le début des années 1970, nos connaissances dans ce domaine sont synthétisées par le Modèle standard de la physique des particules, une théorie décrivant les particules fondamentales et leurs interactions. Le Modèle standard est un modèle remarquablement efficace, mais il laisse en suspens de nombreuses questions ; répondre à ces questions est la mission du LHC. La découverte du boson de Higgs, annoncée en juillet 2012, a confirmé une théorie formulée en 1964, décrivant le mécanisme par lequel les particules fondamentales acquièrent leur masse. Cette particule, unique en son genre, pourrait expliquer de nombreux autres mécanismes, ce qui la rend particulièrement intéressante pour les physiciens. D’autres questions restent à résoudre, notamment sur la nature de la matière noire (qui constitue 80 % de la matière de l’Univers), l’asymétrie matière-antimatière, la manière dont s’est formée la matière ordinaire dans les tout premiers instants de l’Univers.
Les scientifiques ont commencé à imaginer le LHC au début des années 1980, alors que l’accélérateur précédent, le LEP, n’était pas encore en fonctionnement. L’idée était de réutiliser le tunnel du LEP pour accueillir une machine capable de faire entrer en collision des protons au lieu d’électrons. Le Conseil du CERN approuve la construction du LHC en décembre 1994 et l’étude de conception technique du LHC est publiée en octobre 1995.
Des contributions du Japon, des États-Unis, de l’Inde et d’autres États non membres ont accéléré le processus. Entre 1996 et 1998, quatre expériences – ALICE, ATLAS, CMS et LHCb – sont officiellement approuvées et les travaux de construction commencent sur quatre sites. Le LHC est construit et assemblé entre 1996 et 2008. Le LHC est mis en service le 10 septembre 2008. Ce fut une aventure complexe, qui a mobilisé plusieurs milliers de personnes et d’entreprises dans le monde entier.
Les aimants supraconducteurs
Le LHC occupe le tunnel initialement construit pour son prédécesseur, le Grand collisionneur électron-positon (LEP). Contrairement au LEP, qui faisait entrer en collision des électrons, le LHC accélère des protons, qui sont environ 2 000 fois plus massifs. Pour les guider le long de la trajectoire circulaire de 27 km, le LHC avait besoin d’aimants beaucoup plus puissants que les électro-aimants conventionnels. Il est ainsi composé de 9 000 aimants supraconducteurs, capables de produire des champs magnétiques beaucoup plus élevés. Ces aimants représentent l’un des plus grands défis technologiques du projet.
Le système cryogénique
Les aimants supraconducteurs sont refroidis à 1,9 K (-271 °C), soit une température plus froide que celle de l’espace intersidéral, au moyen du plus grand système cryogénique du monde ; 23 des 27 km de l’accélérateur sont ainsi réfrigérés. Ce système utilise de l’hélium superfluide, un réfrigérant aux propriétés de transfert de chaleur très efficaces.
Le vide
Dans le LHC, les particules circulent dans des tubes vidés de leur air. Dans l’enceinte à vide, la pression est 10 millions de millions de fois plus faible qu’à l’extérieur, au niveau de la mer :
10-13 bars. Elle est presque aussi faible que celle qui règne sur la Lune.
Les cavités accélératrices
Le LHC utilise huit cavités supraconductrices par faisceau, chacune fournissant une tension de 2 MV à une fréquence de 400 MHz afin d’accélérer les faisceaux.
Des hadrons (protons ou ions lourds) sont accélérés dans une chaîne de quatre accélérateurs avant d’être injectés dans le LHC. Ils sont ensuite accélérés dans le LHC pendant une vingtaine de minutes avant d’atteindre leur énergie nominale et d’être amenés à entrer en collision au coeur de quatre grandes expériences. Les faisceaux circulent pendant 10 à 15 heures avant d’être éjectés lorsqu’ils ne contiennent plus suffisamment de particules.
Chaque faisceau est regroupé en quelque 2 500 paquets, chacun contenant 100 milliards de protons. Les paquets sont généralement espacés de 25 nanosecondes (soit 7 mètres environ ), mais pour des raisons pratiques, il peut y avoir des écarts plus importants.
| Quantity | Number |
| Circonférence | 26 659 m |
| Température d’exploitation des dipôles | 1.9 K (-271.3° C) |
| Nombre d’aimants | 9593 |
| Nombre de dipôles principaux | 1232 |
| Nombre de quadripôles principaux | 392 |
| Nombre de cavités RF | 8 par faisceau |
| Énergie nominale, mode protons | 6.8 TeV |
| Énergie nominale, mode ions | 2.56 TeV/u (énergie par nucléon) |
| Énergie nominale, mode collisions de protons | 13.6 TeV |
| Nombre de paquets par faisceau de protons | ~2500 |
| Nombre de protons par paquet (au départ) | 1.6 x 1011 |
| Nombre de tours/seconde | 11245 |
| Nombre de collisions/seconde dans ATLAS et CMS | 1.5 milliard |
L’énergie dégagée par la collision de protons est de 13,6 TeV, qui est l’énergie la plus élevée jamais atteinte dans un laboratoire. À l’échelle humaine, cela représente une toute petite quantité d’énergie, l’équivalent d’une aiguille tombant au sol depuis une hauteur de quelques centimètres ! Mais à l’échelle minuscule des particules, un accélérateur concentre cette énergie dans un espace dix millions de millions de fois plus petit qu’une aiguille, ce qui permet d’obtenir des densités d’énergie très élevées et de créer des particules.
L’énergie de la collision d’ions plomb est de 5,36 TeV par paire de nucléons ; ce chiffre correspond à l’énergie dégagée par la collision de deux nucléons (proton ou neutron).
Le LHC ne peut que reproduire des phénomènes existant naturellement autour de nous, sur Terre et dans l’espace. Dans tout l’Univers, plus de 10 millions de millions de phénomènes similaires aux expériences LHC se produisent chaque seconde. Si de tels phénomènes étaient dangereux ou destructifs, les étoiles, les galaxies et la Terre n’existeraient plus.
Un comité d’experts chargé d’évaluer les risques liés à l’exploitation du LHC a conclu que celle-ci ne présentait aucun danger. Cliquer ici pour lire le rapport complet. Le rapport a fait l’objet d’un examen indépendant et il a été approuvé par trois sociétés de physique – l’American Physical Society (États-Unis), l’Institute of Physics (Royaume-Uni) et la Deutsche Physikalische Gesellschaf (Allemagne)- qui sont arrivées à la même conclusion.
Selon la théorie de la relativité d’Einstein, il est impossible que le LHC puisse produire des trous noirs. Cependant, il existe des théories spéculatives qui prédisent la formation de trous noirs microscopiques, mais également leur désintégration instantanée. Les trous noirs microscopiques n’auraient donc pas le temps d’agglomérer suffisamment de matière et de provoquer des effets macroscopiques.
| Matériel | Coûts de construction (en milliards de francs suisses) |
| Machine et zones LHC* | 3756 |
| Détecteurs (part du CERN) et zones des détecteurs** | 493 |
| Informatique du LHC (part du CERN) | 83 |
| Total | 4332 |
Sont inclus :
*R&D sur la machine et les injecteurs, les tests et la pré-exploitation.
**Coûts d’infrastructure (caverne et installations). Le coût total de tous les détecteurs LHC est d’environ 1 500 MCHF.
Les collaborations des expériences sont des structures distinctes dont le financement est indépendant de celui du CERN. Le CERN est membre de toutes les expériences LHC et contribue à leur budget de maintenance et d’exploitation.
La consommation totale d’électricité du LHC, de ses expériences et de ses services généraux est d’environ 600 GWh par an, avec un pic de 695 GWh en 2024. La consommation totale d’électricité du CERN est environ de 1,3 TWh par an ; par comparaison, la production totale d’énergie électrique est environ de 3 000 TWh dans l’Union européenne, de 450 TWh en France, et de 3 TWh dans le canton de Genève.
Pour plus d’informations, voir le rapport du CERN sur l’environnement 2023-2024.
Le LHC a fait circuler ses premiers faisceaux de protons le 10 septembre 2008. Neuf jours plus tard, une connexion électrique défectueuse entre deux aimants a endommagé un secteur de l’accélérateur, nécessitant plusieurs mois de réparation. L’accélérateur a redémarré à la fin 2009, produisant ses premières collisions le 23 novembre 2009, et ses premières collisions à haute énergie (7 TeV) le 30 mars 2010. Le 8 novembre 2010, l’accélérateur faisait entrer en collision des ions plomb pour la première fois. Depuis, il a connu trois périodes d’exploitation, l’énergie et la luminosité augmentant à chaque fois. Le LHC a atteint 13 TeV en 2015, au début de la deuxième période d’exploitation, et 13,6 TeV en 2022, au début de la troisième période d’exploitation. Le LHC a contribué à de nombreux résultats de physique, notamment à la découverte en 2012 du boson de Higgs, après des années d’attente.
Pour en savoir plus, consulter la page web LHC Milestones
La luminosité est une mesure du taux de collisions. La luminosité instantanée correspond au nombre de collisions qui se produisent dans une unité de temps (par exemple chaque seconde). La luminosité intégrée correspond au total des collisions survenues sur une période de temps. Elle est généralement exprimée en « femtobarns inverses » (fb-1). Un femtobarn est l’unité de mesure de la section efficace, c’est-à-dire de la probabilité que se produise un processus lors d’une interaction entre particules. Un femtobarn inverse correspond à environ 100 millions de millions de collisions.
The LHC will operate until the Long Shut Down 3, starting in July 2026. During the LS3, the LHC will undergo a major upgrade in order to increase its luminosity, i.e. the number of collisions. The upgraded machine, the High-Luminosity LHC (HL-LHC), which is due to restart mid-30 will run at least another decade.
See the High-Luminosity LHC page
Le LHC fonctionnera jusqu’au troisième long arrêt (LS3), qui commencera en juillet 2026. Au cours du LS3, le LHC fera l’objet d’une mise à niveau majeure afin d’augmenter sa luminosité, c’est-à-dire le nombre de collisions. Cette machine améliorée, appelée LHC à haute luminosité (HL-LHC), devrait redémarrer vers le milieu des années 2030. Le HL-LHC fonctionnera pendant au moins une dizaine d’années supplémentaires.
Voir la page du LHC à haute luminosité