Le Grand collisionneur de hadrons entre en phase de travaux pour traquer la matière noire

À partir de ce lundi, le Grand collisionneur de hadrons (LHC) plonge dans une phase de travaux majeure qui va s'étaler sur quatre ans. L'objectif est clair : multiplier par dix le nombre de collisions de particules pour tenter de percer le mystère de la matière noire. Installé près de Genève, à cheval sur la frontière entre la France et la Suisse, ce tunnel de 27 kilomètres de circonférence, enfoui à une centaine de mètres sous terre dans le Pays de Gex (Ain), va subir une métamorphose technique sans précédent.

Quatre ans de chantier pour décupler les collisions

Le projet HiLumi (High Luminosity LHC) entre dans sa phase active. « C'est un moment important. Dès lundi, on entre dans une nouvelle phase », a annoncé Markus Zerlauth, chef du projet, aux journalistes. Pendant ces quatre années d'arrêt, les équipes remplaceront 1,2 kilomètre du LHC par des composants totalement innovants.

Le tunnel lui-même reste inchangé. En revanche, de nouveaux aimants supraconducteurs prennent place pour mieux concentrer les faisceaux de particules. Résultat attendu : chaque rencontre entre deux paquets de particules produira entre 140 et 200 collisions, contre une soixantaine aujourd'hui. Les quatre grands détecteurs, dont ATLAS et CMS, capteront ces événements à un rythme effréné.

L'augmentation du nombre de collisions a un effet direct : « Collecter jusqu'à 100 fois plus de données », se réjouit Markus Zerlauth. Mais avec plusieurs milliards de collisions par seconde, impossible de tout enregistrer. Des systèmes d'intelligence artificielle trieront les données en temps réel, pour ne retenir que les événements les plus prometteurs. « L'IA ne va pas remplacer les physiciens », précise Nedaa-Alexandra Asbah, physicienne sur l'expérience ATLAS.

Un investissement de 1,2 milliard de francs suisses

Le coût total du projet HiLumi est évalué par le CERN à 1,2 milliard de francs suisses. Les États membres et associés de l'organisation européenne en assurent le financement principal. Mais d'autres pays apportent leur pierre à l'édifice : les États-Unis, le Japon, le Canada et la Chine contribuent sous forme de matériel et d'équipements, représentant environ 10 à 15 % de la dépense totale.

La mise en service de cette version améliorée du LHC est programmée pour juin 2030. L'exploitation se poursuivra jusqu'aux alentours de 2040, laissant aux scientifiques une décennie pour explorer de nouveaux territoires physiques.

Traquer la matière noire, l'invisible qui compose l'Univers

Pourquoi un tel chantier ? Parce que les questions fondamentales restent ouvertes. « On a encore beaucoup de questions en physique auxquelles on n'a pas trouvé les réponses », rappelle Markus Zerlauth. Et parmi ces mystères, la matière noire tient le haut de l'affiche.

Les astronomes l'ont calculé : la matière visible, celle des étoiles et des planètes, ne représente qu'environ 5 % de l'Univers. Le reste se compose de matière noire (27 %) et d'énergie sombre (68 %), deux entités invisibles jamais détectées directement. « Nous voulons découvrir de nouvelles particules », explique Filip Moortgat, coordinateur de l'exploitation du détecteur CMS. Ce dernier est conçu pour chercher d'autres dimensions ou les particules constitutives de la matière noire.

Le LHC à haute luminosité pourrait permettre de comprendre comment l'Univers a évolué juste après le Big Bang. En 2012, le CERN avait déjà confirmé l'existence du boson de Higgs, une découverte majeure qui valut le prix Nobel de physique 2013 à Peter Higgs et François Englert. Avec la modernisation, les espoirs sont encore plus grands.

Deux bosons de Higgs en même temps, un record en vue

Le chantier promet de faire bondir la production de bosons de Higgs. Sur l'ensemble de sa durée d'exploitation, le LHC amélioré pourrait en produire environ 380 millions, contre 55 millions depuis 2008. Un chiffre qui donne le vertige.

Mais le graal, pour les physiciens, serait de produire deux bosons de Higgs en même temps. « Cela n'a jamais été réalisé », souligne Nedaa-Alexandra Asbah. Et d'ajouter : « Cela pourrait fournir des indices sur la manière dont notre univers a évolué peu après le Big Bang. »

Le CERN entre donc dans une décennie de chantier et d'attente. De l'autre côté de la frontière, dans le Pays de Gex, les riverains habitués aux activités du laboratoire verront sans doute surtout les convois et les grues animer ce sous-sol qui recèle tant de promesses. La matière noire, elle, reste pour l'instant hors de portée. Mais les physiciens, eux, sont prêts à tout pour la débusquer.