Un hiver cryogénique pour l’accélérateur de demain.
Le Grand collisionneur de hadrons (en anglais : Large Hadron Collider ou LHC) sert à accélérer puis faire entrer en collision des particules à des vitesses proches de la lumière pour recréer des conditions similaires à celles qui régnaient juste après le Big Bang.
Ces collisions permettent d’étudier les lois fondamentales de l’Univers, de découvrir de nouvelles particules et de tester les limites du Modèle Standard. Création du CERN, il se trouve sous la campagne franco-suisse du pays de Gex et est considéré comme le plus grand accélérateur de particules du monde avec ses 27 kilomètres.
Il ne fonctionne que si on le plonge dans un froid extrême. À –271 °C, la matière change de comportement, les métaux deviennent supraconducteurs, et les particules filent à une vitesse qui frôle celle de la lumière.
Sa nouvelle version va demander d’accroitre encore le nombre de réfrigérateurs pour tenir ce froid sans lequel nul nouveau Boson de Higgs ne saurait être découvert !
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Le CERN installe de nouveau réfrigérateur pour son garder son futur LHC à haute luminosité dans le froid extrême
Pour mettre en service le LHC à haute luminosité (HL-LHC) en 2030, les ingénieurs doivent résoudre une équation simple… mais terriblement exigeante. Plus de collisions signifie plus d’aimants, plus de puissance, plus de chaleur à extraire. Le cœur de l’accélérateur doit rester à 1,9 kelvin, sinon rien ne fonctionne. On demande donc à l’hélium, seul fluide capable d’exister sous forme superfluide à cette température, de jouer un rôle encore plus intense qu’auparavant.
Aujourd’hui déjà, 23 kilomètres sur 27 sont refroidis grâce à huit gigantesques réfrigérateurs industriels. Pour l’accélérateur de demain, il en faudra deux de plus, spécifiquement installés aux abords des expériences ATLAS et CMS, là où les faisceaux se croisent et où la densité de collisions sera la plus élevée.
Des réfrigérateurs d’une puissance phénoménale
Un réfrigérateur de cuisine extrait quelques dizaines de watts de chaleur. Ceux du LHC extraient… plusieurs kilowatts à des températures proches du zéro absolu, un exploit qui mobilise des compresseurs aussi grands que des locomotives et des échangeurs de chaleur enfermés dans des cylindres titanesques.
Ces cylindres, appelés boîtes froides, sont de véritables cathédrales technologiques.
Les deux derniers exemplaires viennent d’être installés :
- 16 mètres de long
- 3,5 mètres de diamètre
- Fabriqués en Allemagne par Linde
- Arrivés au CERN après un voyage impressionnant : barge sur le Danube, le Main, puis le Rhin, avant de finir leur route sur camion depuis Bâle.
Dans ces boîtes froides, l’hélium est progressivement refroidi à 4,5 kelvins (–268,6 °C) grâce à des turbines de détente et des échangeurs de chaleur qui semblent tout droit sortis d’un roman d’ingénierie futuriste.
Un réseau cryogénique souterrain qui ressemble à un système veineux géant
Pendant que les boîtes froides prennent place, les équipes déroulent et assemblent les lignes cryogéniques, sortes d’artères métalliques où circule l’hélium depuis la surface vers les installations souterraines. En février, deux nouvelles boîtes froides plus compactes seront installées sous terre pour abaisser la température finale à 1,9 kelvin, seuil où l’hélium devient superfluide et élimine presque toute résistance électrique.
Il est difficile d’imaginer à quel point cet exploit est délicat : à cette température, le moindre défaut, la moindre vibration inattendue, peut compromettre la supraconductivité.
Une année 2026 dédiée aux tests
Fin 2026, les nouveaux réfrigérateurs seront testés… avec des chauffages.
Un paradoxe apparent, mais indispensable. Avant de refroidir les aimants du HL-LHC, les ingénieurs simulent leur dégagement thermique pour vérifier que le système cryogénique peut absorber cette chaleur avec la stabilité nécessaire.
Ces tests serviront à valider :
- la capacité des nouveaux réfrigérateurs,
- la robustesse des lignes cryogéniques,
- la réponse des systèmes de contrôle,
- la gestion des transitions entre les différents niveaux de froid.
C’est seulement après cette étape que l’accélérateur pourra être refroidi intégralement en vue de sa future mise en service.
Les grandes découvertes déjà offertes par le LHC
Depuis son démarrage en 2010, le LHC a profondément transformé notre compréhension du monde subatomique. Sa découverte la plus marquante reste bien sûr l’observation du boson de Higgs en 2012, une pièce essentielle du puzzle qui explique comment les particules acquièrent leur masse. Mais ses avancées ne s’arrêtent pas là. Le LHC a identifié plusieurs états exotiques de la matière, dont des tétraquarks et pentaquarks, confirmant que les constituants fondamentaux des hadrons s’assemblent de manière plus variée que prévu. Les expériences ont également fourni les mesures les plus précises jamais obtenues sur l’interaction forte, affiné les recherches sur la matière noire, et repoussé les limites de la supersymétrie. Au fil des années, l’accélérateur a surtout montré que la nature réserve encore des surprises, même dans des domaines que l’on pensait maîtrisés.
Principales contributions du LHC
| Année | Découverte / Résultat majeur | Importance scientifique |
| 2012 | Découverte du boson de Higgs | Confirme le mécanisme qui donne sa masse à la matière ; pierre angulaire du Modèle Standard. |
| 2015–2021 | Observation de nouveaux pentaquarks et tétraquarks | Révèle des configurations inédites de quarks, ouvrant un nouveau chapitre sur la structure de la matière. |
| 2016–2024 | Tests de précision de l’interaction forte (QCD) | Permet de mieux comprendre la cohésion des protons et neutrons. |
| 2010–2025 | Recherche étendue sur la matière noire | Contraint fortement plusieurs modèles théoriques ; affine la cartographie des particules candidates. |
| 2020–2025 | Mesures de plus en plus précises de la désintégration des hadrons B | Indices sur d’éventuelles déviations vis-à-vis du Modèle Standard. |
| Continu | Amélioration des détecteurs, statistiques accrues grâce au HL-LHC | Prépare les découvertes de la prochaine dé |
Objectif : voir plus profondément dans la matière
Le HL-LHC permettra d’augmenter massivement la luminosité, c’est-à-dire le nombre de collisions par seconde. Plus de collisions, c’est plus de données. Et plus de données, ce sont des réponses aux questions qui dépassent encore notre compréhension : la nature de la matière noire, les interactions entre particules rares, les limites du Modèle Standard.
Pour atteindre ce futur, il faut de la patience, des kilomètres de tuyaux, des boîtes froides gigantesques… et une maîtrise du froid qui n’a aucun équivalent sur Terre.
Source : CERN
