vignette|Tunnel du LHC avec le tube contenant les électroaimants supraconducteurs.
Le Grand collisionneur de hadronsDésignation officielle française selon le site suisse du CERN. (en anglais : — LHC) est un accélérateur de particules mis en fonction en 2008 au CERN et situé dans la région frontalière entre la France et la Suisse, entre la périphérie nord-ouest de Genève et le pays de Gex (France). C'est l'accélérateur de particules le plus puissant construit à ce jour, depuis son amélioration achevée en 2015 après deux ans de mise à l'arrêt.. Il est même présenté comme le plus grand dispositif expérimental jamais construit pour valider des théories physiquesCette affirmation floue reste difficile à étayer. Par exemple, les interféromètres du ou du sont des instruments astronomiques d'une bien plus grande extension spatiale (plusieurs milliers de kilomètres pour le dernier cité), mais le représente un volume d'instruments scientifiques nettement plus grand.. En 2012, il confirme l'existence du boson de Higgs.
Le LHC a été construit dans le tunnel circulaire ( de longueur LHC : chiffres clés.) de son prédécesseur, le collisionneur LEP (). À la différence de ce dernier, ce sont des protons qui sont accélérés pour produire des collisions, en lieu et place des électrons ou des positons pour le LEP.
Ces protons seront accélérés jusqu'à une énergie de , soit près de leur énergie de masse. L'énergie totale de deux protons incidents sera ainsi de . Le LHC sera également utilisé pour accélérer des ions lourds comme le plomb avec une énergie totale de collision de pour le noyau dans son ensemble, soit un peu plus de par nucléon qu'il contient.
Huit détecteurs, dont quatre de très grande taille, sont installés sur cet accélérateur, à savoir ATLAS, CMS, TOTEM, LHCb, ALICE, LHCf, MoEDAL et FASER (voir leur description détaillée).
vignette|Situation du LHC et du SPS. vignette|Un diagramme de Feynman montrant une voie possible de génération d'un boson de Higgs au LHC. Ici, deux quarks émettent des bosons W ou Z qui se combinent pour former un boson de Higgs neutre.
Objectifs
Les physiciens espèrent apporter des éléments de réponse à plusieurs questions concernant la physique des particules et la cosmologie à l'aide de ces détecteurs. : le modèle standard décrit de façon remarquablement précise la physique des particules. Il prédit l'existence d'une particule, appelée boson de Higgs, dont la détection est un des objectifs prioritaires du LHC car il permettrait de tester la validité de certaines théories (telles que la théorie des cordes). Cette détection a été annoncée le ; de nombreux arguments théoriques privilégient l'existence de la supersymétrie, qui prédit que chaque type de particule connue possède un alter ego appelé superpartenaire. La mise en évidence de la supersymétrie est le second enjeu du LHC ; de très nombreux modèles de supersymétrie existent. Si la supersymétrie est détectée, le LHC sera en mesure de faire le tri entre les modèles viables ; les observations cosmologiques indiquent qu'une grande partie (96 %) de la masse de l'univers est sous forme de constituants inconnus en laboratoire. L'un de ces constituants, appelé, faute de mieux le connaître, la « matière noire », pourrait être mis en évidence au LHC ; des modèles de physique des hautes énergies, notamment la théorie des cordes, prédisent l'existence de dimensions supplémentaires en sus des quatre dimensions (3 + le temps) d'espace que nous connaissons. Certaines collisions réalisées au LHC pourraient indirectement les mettre en évidence, notamment par la formation de trous noirs microscopiques ; il semble probable que matière et antimatière existaient en quantités égales lors du . Par la suite, un phénomène très mal connu a vraisemblablement généré un léger surplus de matière sur l'antimatière (ce phénomène est appelé baryogénèse). Matière et antimatière se sont ensuite annihilées en quantités strictement égales, ne laissant finalement que l'infime surplus de matière. Le LHC pourrait être en mesure de mieux expliquer ce processus ; les noyaux atomiques sont constitués de protons et de neutrons, chacun étant composé d'entités plus élémentaires appelées quarks. Les quarks n'existent aujourd'hui pas isolément, mais uniquement par groupes de deux ou trois particules (3 dans le cas des neutrons et des protons). Cette propriété est appelée confinement des quarks. Selon toute vraisemblance, à très haute température, les quarks peuvent exister isolément. Le LHC tentera de mettre en évidence cette « transition de déconfinement » et les propriétés de ce nouvel état de la matière appelé plasma quarks-gluons ; le LHC n'ayant pas encore détecté en 2023 les WIMPs, les scientifiques approfondissent un modèle non prédit par le modèle standard de la physique des particules, où la matière noire n'interagit pas faiblement avec la matière ordinaire mais où elle interagit fortement avec certaines particules du modèle standard. Des particules hypothétiques comme quarks noirs et gluons noirs pourraient être détectées lors de collisions à haute énergie entre protons au sein du Grand collisionneur de hadrons..
Historique
Le projet de construire un grand collisionneur de hadrons fut officiellement approuvé en , pour succéder au LEP. Les quatre grands détecteurs installés (ATLAS, CMS, ALICE et LHCb) furent approuvés entre 1996 et 1998. Sa mise en service était initialement prévue pour 1999 mais des retards multiples, techniques et financiers, la repoussèrent successivement à la fin de l'année 2007 puis à la fin de l'été 2008. L'arrêt du LEP eut finalement lieu en 2000, et son démantèlement, suivi du début de la construction du LHC, eut lieu presque immédiatement après. Un débat eut lieu en 2000 lors de l'arrêt du LEP. Celui-ci produisit des résultats ambigus aux plus hautes énergies auxquelles il pouvait fonctionner (un peu plus de ), suggérant la mise en évidence du boson de Higgs, une particule prédite par le modèle standard de la physique des particules. L'opportunité de prolonger la durée de vie du LEP afin de confirmer ce résultat fut opposée à celle de démanteler le LEP afin de construire le LHC le plus rapidement possible. Ce fut finalement la seconde solution qui fut retenue, la sensibilité du LEP étant considérée comme insuffisante pour confirmer de façon indiscutable l'existence du boson de Higgs, et le risque que le boson de Higgs soit découvert dans l'intervalle par le Tevatron, installé aux États-Unis, étant considéré comme limité.
Un projet d'accélérateur similaire mais plus puissant (énergie de par proton au lieu de 7 pour le LHC) avait également été proposé aux États-Unis, le (SSC), mais fut abandonné pour diverses raisons budgétaires en 1993.
Le coût total du projet est pour le CERN de de francs suisses. (soit environ d'euros). La construction du LHC lui-même se monte à de francs suisses, dont une masse salariale de 20 %. La part financée par le CERN dans la construction des détecteurs se monte à de francs suisses, plus une contribution majoritaire hors CERN (le CERN finance 20 % de CMS et LHCb, 16 % de ALICE et 14 % de ATLAS). Un peu moins de de francs suisses ont été également investis dans l'amélioration de l'injecteur (la chaîne d'accélérateurs qui produit les faisceaux et les injecte dans l'anneau principal) et les moyens informatiques. Tous les éléments de l'accélérateur et de ses expériences (détecteurs) étaient en place fin 2007 - début 2008.
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L'accélérateur a redémarré le avec l'injection de protons et d'ions lourds , publié le . et le , les premières particules étaient détectées dans le détecteur CMSLHC : à nouveau des collisions dans le détecteur CMS sur Futura-sciences..
Le , le faisceau de protons réalise à nouveau plusieurs tours complets du collisionneur. Le redémarrage se fait progressivement à une énergie de maximum dans un premier tempsLifting de haute-technologie pour l'accélérateur de particules LHC du CERN.. Le , le CERN indique avoir fait circuler dans le LHC le faisceau le plus énergétique du monde en ayant conféré aux protons une énergie de battant le record établi précédemment par l'accélérateur de particules américain TevatronNouveau record du monde pour le LHC, .L'autoroute du LHC par science presse..
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Le lundi marque la première collision de faisceaux de particules au sein de l'instrument. En début d'après-midi, après que deux faisceaux de protons eurent circulé en sens inverse, ils se sont rencontrés au niveau du détecteur ATLAS. Puis, plus tard dans la soirée, l'expérience a été renouvelée aux niveaux des détecteurs CMS, ALICE et LHCb« LHC : déjà des collisions de protons ! » sur futura-sciences.com.. Le , les physiciens de la collaboration ALICE ont publié sur arXiv, un article sur les premières collisions de protons au sein de ce détecteur .. Le , les collisions de particules les plus énergétiques produites dans un accélérateur ont eu lieu. L'énergie totale a atteint battant ainsi le précédent record du TevatronNouveau record au LHC : des collisions à ! sur futura-sciences.com..
À partir de mi- a eu lieu un arrêt technique qui s'est achevé fin ; le but était de préparer la machine à une exploitation à par faisceau pendant l'année 2010Le LHC entre dans une phase nouvelle, CERN Bulletin, , .. Cela a permis d'effectuer des collisions avec une énergie totale de le . mais avec une luminosité de très inférieure à la cible nominale du LHC. Le mois de mai a permis un accroissement par 6 de l'intensité des faisceaux de protons et par 60 de la luminosité des collisionsVers des intensités plus élevées, CERN Bulletin, , .. Cette luminosité a continué de croître pendant tout l'été 2010 par augmentation du nombre de paquets injectés jusqu'à atteindre en septembre une luminosité de CERN News 24-07-2010 augmentation de luminosité.. L'objectif de luminosité crête fixé pour 2010 a été dépassé le avec une luminosité atteinte de Dernières nouvelles du LHC : objectif de luminosité 2010 atteint ! CERN Bulletin , ..
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