Le chantier le plus attendu du monde de la science vient de débuter à la frontière franco-suisse au CERN et va permettre de décupler le potentiel du LHC

À la frontière entre la France et la Suisse, le CERN a coupé les faisceaux du LHC pour lancer un chantier scientifique hors norme.

Le 27 juin 2026, le grand collisionneur de hadrons du CERN a cessé ses collisions pour quatre années de travaux lourds. Comme le rapporte le communiqué officiel de l’organisation européenne pour la recherche nucléaire, ce « Long Shutdown 3 » doit transformer le LHC en HiLumi LHC, une version surpuissante conçue pour produire bien plus de données qu’aujourd’hui.

Un accélérateur à l’arrêt… pour devenir beaucoup plus performant

En surface, tout semble calme autour de Genève. Sous terre, dans le tunnel circulaire de 27 kilomètres à une centaine de mètres de profondeur, un chantier d’ingénierie géant s’organise. Le LHC est à l’arrêt complet et ne voit plus passer le moindre proton.

Objectif du LS3 : décupler la luminosité du LHC, c’est-à-dire le nombre de collisions disponibles pour les expériences.

Le samedi 27 juin 2026 à six heures du matin, les derniers faisceaux ont été évacués. Deux jours plus tard, le 29 juin, les équipes ont rouvert le tunnel et donné le coup d’envoi du Long Shutdown 3, LS3 dans le jargon du CERN. Pendant quatre ans, une portion de 1,2 kilomètre d’anneau va être entièrement démantelée pour laisser place aux nouveaux équipements du HiLumi LHC, concentrés autour des deux grands détecteurs généralistes ATLAS et CMS.

Le but n’est pas d’augmenter l’énergie des collisions, déjà colossale, mais leur fréquence. Plus de collisions, donc plus de chances de repérer des phénomènes rares, voire inattendus, dans les débris de particules.

Des aimants extrêmes pour comprimer les faisceaux de protons

Le pari risqué du niobium-étain

Pour multiplier les chocs entre protons, il faut les faire se percuter avec des faisceaux les plus fins et les plus denses possible. Cette tâche incombe aux aimants de focalisation, installés à proximité immédiate des points de collision.

Aujourd’hui, ces aimants sont en niobium-titane. Demain, ils seront remplacés par une nouvelle génération en niobium-étain, un composé noté Nb₃Sn. Ce changement de matériau permet de pousser beaucoup plus loin le champ magnétique.

• Champ magnétique actuel : environ 8 teslas.
• Champ visé avec le niobium-étain : environ 11,3 teslas, soit +41 %.

Ce gain est crucial pour resserrer les faisceaux. Mais le niobium-étain a un caractère délicat : après traitement, il devient cassant comme du verre. Impossible de le déformer ou de le brusquer une fois le matériau figé.

Les nouveaux aimants doivent donc suivre un processus méticuleux : mise en forme, traitement thermique à 640 °C, puis refroidissement et descente en température cryogénique. En fonctionnement, ils baigneront dans l’hélium superfluide à 1,9 kelvin, soit −271,3 °C, une température encore plus basse que celle de l’espace intersidéral.

Pour valider la technologie, une ligne d’aimants de 95 mètres a été testée au printemps à ces températures extrêmes. Une douzaine d’aimants encadrera chaque détecteur ATLAS et CMS, en deux formats : 4,2 mètres, fabriqués aux États-Unis, et 7,2 mètres, assemblés au CERN.

Les « cavités crabe » redressent les paquets de protons

Autre innovation majeure : les cavités crabe. Dans un accélérateur comme le LHC, les protons ne circulent pas en flux continu mais en paquets qui se croisent avec un léger angle. Faute de face-à-face parfait, une partie des protons se manquent, ce qui limite la luminosité.

Les cavités crabe appliquent à chaque paquet une légère torsion. L’image choisie par les ingénieurs est celle d’un crabe qui se déplace de biais, d’où leur nom. Grâce à ce pivotement contrôlé, les paquets se rencontrent « de face », augmentant le nombre de collisions efficaces.

Les cavités crabe permettront d’aligner les paquets de protons pour maximiser chaque croisement de faisceaux.

Le premier « crabbing » de faisceau de protons a été démontré en 2018 sur le Supersynchrotron, un autre accélérateur du complexe du CERN. Le programme HiLumi prévoit désormais l’installation de seize cavités supraconductrices autour d’ATLAS et CMS.

Pour les alimenter, les équipes ont conçu des liaisons supraconductrices originales en diborure de magnésium, longues d’une centaine de mètres. Ces conduites transporteront des courants dépassant 100 000 ampères avec des pertes électriques quasi nulles. Une telle maîtrise de la supraconductivité intéresse aussi, à terme, les réseaux électriques de forte puissance.

Dix fois plus de données, des détecteurs entièrement rénovés

Une luminosité multipliée par dix

La grandeur clef visée par ces travaux est la luminosité, le nombre de collisions par unité de surface et de temps. Le HiLumi LHC doit atteindre une luminosité de crête comprise entre 5 et 7,5 × 10³⁴ cm⁻²·s⁻¹, contre environ 1 × 10³⁴ cm⁻²·s⁻¹ aujourd’hui.

Concrètement, chaque croisement de paquets générera entre 140 et 200 collisions, contre une soixantaine dans la configuration actuelle. Le gain est spectaculaire pour les expériences, en particulier pour l’étude du boson de Higgs.

En 2017, le LHC produisait environ 3 millions de bosons de Higgs par an. Le HiLumi vise quelque 15 millions d’événements de ce type chaque année. De quoi affiner la mesure de ses propriétés et tester l’éventuelle présence de nouvelles particules ou d’effets de physique encore inconnus.

ATLAS et CMS, des « nouveaux » détecteurs pour données XXL

Cette avalanche de collisions a un prix : il faudra trier à une cadence vertigineuse. ATLAS et CMS doivent analyser plus de cinq milliards d’interactions par seconde, puis décider en temps quasi réel lesquelles conserver.

Les systèmes de déclenchement d’ATLAS et CMS vont être entièrement repensés pour filtrer, en une fraction de seconde, quelques événements précieux parmi des milliards.

Les deux détecteurs se préparent à une cure de jouvence lourde :

• nouveaux trajectographes en silicium, avec des milliards de canaux de lecture pour suivre finement le passage des particules chargées ;
• détecteurs de temps ultra-précis, capables de dater une trajectoire à quelques dizaines de picosecondes près (un picoseconde représente un millième de milliardième de seconde) ;
• électronique de déclenchement repensée pour gérer la hausse de luminosité sans se laisser saturer par le « bruit de fond ».

Ces améliorations visent à maintenir, voire améliorer, la qualité des mesures malgré la complexité grandissante des événements, où des centaines de particules jailliront de chaque collision enregistrée.

Un chantier international chiffré à plus d’un milliard de francs suisses

Une coopération mondiale autour du tunnel de Genève

Derrière les aimants et les cavités, une vaste organisation s’active. Le communiqué du CERN évoque des milliers d’ingénieurs, physiciens, techniciens et personnels de soutien. Environ 44 instituts, issus d’une vingtaine de pays, sont impliqués dans le projet HiLumi.

Le caractère européen du chantier reste affirmé, mais son exécution est mondiale. Les laboratoires américains Fermilab et Brookhaven usinent une partie des aimants. Le Japon contribue avec son expertise en accélérateurs. L’Italie, l’Espagne, la Suède ou le Royaume-Uni participent à différents volets techniques.

Le coût global est estimé entre 1,1 et 1,14 milliard de francs suisses, soit environ 1,19 à 1,24 milliard d’euros. Une partie de cet investissement correspond à des contrats industriels, une autre à des contributions en nature des laboratoires partenaires.

Un calendrier millimétré jusqu’en 2033

Le LS3 ne se limite pas à l’anneau principal. Les injecteurs, comme le Supersynchrotron ou l’installation ISOLDE, s’arrêteront à leur tour fin août 2026 pour être adaptés à la future intensité des faisceaux.

Si ce calendrier est tenu, le HiLumi LHC fonctionnera pleinement pendant au moins trois années de prises de données, jusqu’à fin 2033. La suite dépendra ensuite des décisions politiques et scientifiques sur un éventuel successeur, comme un collisionneur futur de plus grande taille.

Que représente ce chantier pour les chercheurs français ?

Pour un lecteur installé en France, le projet reste géographiquement proche : une partie de l’infrastructure du LHC se trouve côté français de la frontière, dans l’Ain et la Haute-Savoie. Plusieurs laboratoires hexagonaux, rattachés notamment au CNRS et au CEA, sont directement engagés dans la construction de composants et dans l’analyse des données à venir.

La participation française prend différentes formes :

• conception et test de sous-systèmes de détecteurs, notamment pour ATLAS et CMS ;
• développement d’électroniques rapides et de logiciels de traitement des données ;
• contributions à l’étude théorique des phénomènes que le HiLumi voudra traquer, comme d’éventuelles particules au-delà du modèle standard.

Pour la communauté scientifique française, la montée en luminosité représente une opportunité unique d’accroître la précision des mesures déjà réalisées. Les collaborations internationales reposent sur un partage de temps de calcul, de responsabilités techniques et de visibilité scientifique, dont profitent de nombreux doctorants et jeunes chercheurs basés en France.

Pourquoi la luminosité est devenue un enjeu central

En physique des particules, deux paramètres structurent un accélérateur : l’énergie atteinte et la luminosité. Le LHC a déjà repoussé loin la première, avec des collisions à plusieurs téraélectronvolts par proton. Le HiLumi cible maintenant l’autre levier, la quantité d’événements.

Un phénomène rare, comme la production simultanée de plusieurs bosons de Higgs, a une probabilité infime. En multipliant les collisions, on augmente la possibilité de voir apparaître ces cas exceptionnels. Sans cela, certaines hypothèses théoriques resteraient hors d’atteinte, faute de statistiques suffisantes.

La luminosité élevée permet aussi de réduire les incertitudes sur les mesures fines : couplages du boson de Higgs avec d’autres particules, recherche de petites déviations par rapport aux prédictions du modèle standard, étude détaillée de particules déjà connues comme le quark top.

Des retombées au-delà de la seule physique fondamentale

Le CERN souligne que les technologies développées pour le HiLumi LHC irriguent d’autres secteurs. La maîtrise des aimants supraconducteurs à base de niobium-étain ou des liaisons très haute intensité ouvre des perspectives en imagerie médicale, notamment pour les scanners par résonance magnétique nécessitant de forts champs magnétiques.

Les systèmes de détection rapide et d’électronique à très haute cadence intéressent aussi d’autres industries : télécommunications, instrumentation scientifique avancée, voire cybersécurité. L’effort consenti pour ce chantier scientifique alimente ainsi un écosystème technologique européen plus large.

Pour le grand public, les échéances restent lointaines, avec une première collision HiLumi envisagée en juin 2030. Pourtant, c’est dès maintenant que s’écrit une nouvelle phase de la physique des particules à la frontière franco-suisse, appelée à livrer des montagnes de données inédites sur la matière et ses lois les plus intimes.

Hélène Vasseur

Lecture rapide : rédactrice en chef d’Eurotel, ancienne de l’hôtellerie, spécialiste des hôtels de caractère et des city-trips.

Hélène Vasseur a passé près de quinze ans dans l’hôtellerie avant de se consacrer à l’écriture. De la réception d’un palace lyonnais à la direction d’une maison d’hôtes, elle a appris à lire un hôtel de l’intérieur : ce qui fait une vraie adresse, et ce qui relève du décor.

Rédactrice en chef d’Eurotel, elle coordonne la ligne éditoriale et arpente l’Europe à la recherche d’hôtels de caractère et de destinations à raconter autrement. Sa conviction : on voyage mieux quand on comprend les lieux, pas seulement quand on les coche. Elle garde un faible pour les vieilles villes d’Europe centrale et les petits-déjeuners qui s’éternisent.