Cette ville souterraine franco-suisse de 27 km bouleverse aujourd’hui notre compréhension de la physique : les tunnels du LHC à 175 m sous terre révèlent leurs secrets

Sous la frontière franco-suisse, près de Genève, une boucle souterraine de 27 km tourne comme une horloge industrielle.

Le Large Hadron Collider n’est pas un laboratoire classique, c’est un anneau enterré jusqu’à 175 mètres de profondeur, où l’on fait circuler des faisceaux de particules à une vitesse qui frôle celle de la lumière. Le site est souvent décrit comme une ville sous terre, parce qu’il combine tunnel, aimants, alimentation électrique, cryogénie, vide poussé, instrumentation et équipes d’exploitation. Son objectif reste simple à formuler, plus difficile à réaliser, pousser la physique des particules dans ses retranchements, en provoquant des collisions contrôlées et en observant ce qu’elles révèlent sur la matière.

Le CERN exploite un anneau de 27 km jusqu’à 175 m

Le CERN a installé le LHC dans un tunnel circulaire de 27 kilomètres de circonférence, à une profondeur variable d’environ 50 à 175 mètres. Cette variation n’a rien d’un détail d’ingénierie, elle sert à optimiser le tracé, notamment pour limiter les contraintes liées au relief et éviter des travaux encore plus lourds dans certaines zones.

Dans ce tunnel, deux faisceaux de particules circulent en sens opposés dans deux conduites distinctes, maintenues sous ultra-haut vide. Les faisceaux sont guidés par un champ magnétique produit par des électroaimants supraconducteurs. L’ensemble ressemble moins à une simple machine qu’à une infrastructure continue, où chaque sous-système, énergie, contrôle, sécurité, maintenance, dépend des autres.

La taille donne un ordre de grandeur, l’échelle logistique fait le reste. La construction s’est étalée entre 1998 et 2008, dans un cadre de collaboration internationale mobilisant plus de 10 000 scientifiques et des institutions de nombreux pays. Sur le terrain, ça se traduit par des cycles d’exploitation, des arrêts techniques, des redémarrages, et des arbitrages permanents entre performance, fiabilité et sécurité.

Des protons à 99,9999991% de la vitesse de la lumière

Le principe, c’est d’accélérer des protons, ou des ions, jusqu’à des vitesses proches de celle de la lumière. Les faisceaux atteignent environ 99,9999991% de cette vitesse avant d’être mis en collision en plusieurs points clés. L’intérêt n’est pas le choc pour le spectacle, c’est la création de conditions extrêmes, qui permettent de tester les modèles théoriques en observant les produits de collision.

La performance énergétique se mesure en téraélectronvolts. Le LHC peut atteindre 6,8 TeV par faisceau, soit 13,6 TeV en énergie de collision. Ce sont des chiffres qui parlent surtout aux physiciens, mais ils traduisent une réalité concrète, plus l’énergie grimpe, plus la machine peut explorer des phénomènes rares, difficiles à produire, et donc difficiles à détecter sans un volume énorme de collisions.

Le revers, c’est l’exigence technique. Les aimants doivent fonctionner en régime supraconducteur, ce qui impose un refroidissement à environ -271,3C, une température plus froide que l’espace. Ce choix est une stratégie efficace pour limiter les pertes électriques, mais il crée une dépendance totale à la cryogénie et à la stabilité des systèmes. Et là, nuance importante, plus puissant ne veut pas dire plus simple à exploiter, chaque gain se paie en complexité.

Le boson de Higgs en 2012, puis le projet FCC à 91 km

Le LHC a marqué l’histoire récente de la physique avec la découverte du boson de Higgs annoncée en 2012. Ce résultat a renforcé le statut de l’infrastructure, non seulement comme outil de recherche, mais comme démonstrateur de ce que peut produire une coopération scientifique à grande échelle, quand les objectifs et les moyens restent alignés sur la durée.

Depuis, l’accélérateur a aussi contribué à identifier plus de 70 hadrons composites, des particules constituées de quarks liés par l’interaction forte. Ce type de découvertes compte parce qu’il permet de tester, point par point, la manière dont la matière s’organise à l’échelle la plus fine accessible. C’est moins grand public que le Higgs, mais c’est le cur du travail, accumuler des observations, consolider ou contester les modèles.

Le CERN prépare déjà la suite avec un rapport de faisabilité pour un Future Circular Collider d’environ 91 km de circonférence, à une profondeur moyenne d’environ 200 mètres, avec plusieurs sites de surface et jusqu’à quatre expériences. Une recommandation de stratégie européenne privilégie la version électron-positon comme futur projet phare, et une évaluation par le Conseil du CERN est attendue en 2026. Le calendrier vise les années 2040, avec, en toile de fond, une question qui dépasse la technique, le financement public et le design environnemental de ces infrastructures deviennent des paramètres aussi déterminants que la physique elle-même.