Le LHC est constitué d’un double anneau de 27 kilomètres où circulent en sens inverse deux faisceaux de protons accélérés jusqu’à une énergie record de 6,5 TeV (Téra électrons Volt¹) soit une vitesse de 99,9999991 % de celle de la lumière.  Le LHC est plus puissant que la machine précédente, le Tévatron, qui près de Chicago, a dominé la physique des hautes énergies pendant plus d’une décennie.


En faisant entrer en collision les protons à de telles énergies, les chercheurs explorent la structure et la composition de notre Univers dans l’infiniment petit et recréent en laboratoire les conditions de sa naissance, les particules qui l’ont peuplé et les lois qui le régissent. Ces études sont possibles grâce à l’observation réalisée par d’immenses systèmes de détection des particules produites lors des millions de milliards de ces collisions entre protons.

Le LHC, le « microscope » le plus puissant du monde : l’Univers à petite échelle

Pour observer notre Univers à des échelles de plus en plus petites, il faut des faisceaux-sondes de plus en plus énergétiques : lumière, rayons X, faisceaux d’électrons, faisceaux de particules … Alors que le microscope électronique permet d’atteindre quelques fractions de nanomètres (le milliardième de mètre) permettant ainsi d’accéder au « monde des nanos », le LHC permet de sonder notre Univers à une échelle plus d’un milliard de fois plus petite : des fractions d’attomètre.

A cette échelle, les chercheurs étudient les « grains » de matière tels que le quark Top, les « grains » de force tels les bosons Z et W et, avec la découverte du boson de Higgs, le premier grain de vide découvert par l’Homme. Ils recherchent de nouveaux grains, c’est-à-dire de nouvelles particules qui pourraient révéler la structure intime de notre Univers : nouveaux champs de matière, nouveaux champs de force, nouvelle structure composite des particules que nous croyons élémentaires, nouvelles propriétés du vide, nouvelles symétries et même nouvelles dimensions de notre espace-temps.

Cette quête est essentielle car d’un point de vue théorique nous savons que notre compréhension de l’infiniment petit est incomplète, nos modèles devenant incohérents à très haute énergie, c’est-à-dire à petite échelle.

Le LHC, la « machine à remonter le temps »: recréer en laboratoire l’Univers primordial

L’observation de notre Univers à grande échelle a montré que son origine remonte à des instants excessivement chauds et compacts depuis lesquels notre Univers est en expansion et en refroidissement continus : le Big-Bang.
Les collisions entre particules à très haute énergie recréent en laboratoire les conditions de ces premiers instants.
Au LHC, les collisions entre protons à la frontière actuelle en énergie, donnent accès à la structure et aux lois de l’Univers dans des temps inférieurs à la première picoseconde alors que la température dépassait les centaines de milliers de milliards de degrés. Ainsi les physiciens cherchent à recréer les conditions où :

• « la lumière fût » c’est-à-dire quand la lumière s’est séparée des forces nucléaires faibles
• le vide a changé de structure et les particules ont acquis une masse
• et même avant quand la matière a gagné sur l’antimatière
• ou même quand la matière et les forces se sont différenciées,

En accélérant dans le LHC des noyaux lourds tels que le plomb, les physiciens cherchent à recréer et à étudier la « soupe primordiale » qui composait l’Univers autour de la première microseconde quand l’Univers avait déjà refroidi à quelques dizaines de milliards de degrés permettant aux quarks et aux gluons de composer les premiers protons, futurs noyaux d’atomes.

Le LHC : La quête des éléments manquants de l’Univers 

Les découvertes du XX^e et XXI^e siècle ont mis en évidence quatre grands mystères essentiels pour la compréhension de notre Univers :

• Qu’est-ce que la matière noire, composante inconnue, 4 à 5 fois plus abondante que la matière connue, observée par son attraction gravitationnelle à grande échelle dans l’Univers et dominant sa dynamique et sa structuration durant les premiers milliers d’années ?
• Qu’est-ce que l’énergie noire, composante inconnue représentant 75 % du contenu de l’Univers et responsable de l’accélération de l’expansion de l’Univers depuis plusieurs milliards d’années ?
• Pourquoi l’antimatière a-t-elle disparu et n’est plus observée dans l’Univers visible alors qu’a priori matière et anti-matière semblaient symétriques ?
• Quel phénomène est à l’origine de l’inflation, cette croissance exponentielle de l’Univers dans ses tous premiers instants ?

En cherchant de nouvelles particules qui pourraient être des particules de matière noire, en étudiant la composition, la structure et les lois qui régissent l’Univers qui pourraient éclairer la question de l’énergie noire ou même de l’inflation et en mesurant les propriétés de la matière et de l’antimatière, le LHC est l’un des quelques lieux au monde où les chercheurs espèrent lever le voile sur une partie de ces mystères.