Le LHC enregistre un nombre record de collisions en 2025

Après quelques derniers tours de piste, les faisceaux du Grand collisionneur de hadrons (LHC) ont été stoppés le lundi 8 décembre à 6 heures, pour l'arrêt technique hivernal. Lancée le 5 mai, la onzième campagne proton-proton à haute énergie d'une certaine durée au LHC a permis d'enregistrer un nouveau record de luminosité intégrée avec la livraison aux expériences ATLAS et CMS de 125 fb⁻¹ de luminosité intégrée¹. Depuis que le LHC existe, les expériences ATLAS et CMS ont chacune cumulé une luminosité intégrée de 500 fb-1, ce qui équivaut à environ 50 millions de milliards de collisions de particules.

Les quatre expériences du LHC ont toutes produit une performance remarquable durant la période d'exploitation avec protons de 2025, détectant plus de collisions que les années précédentes et affichant des taux d'efficacité d'acquisition de données supérieurs à 90 %. LHCb, qui continue à profiter des mises à niveau finalisées en 2023, a vu sa luminosité enregistrée augmenter en 2025 pour atteindre un nouveau record de 11,8 fb-1.

L'année s'est achevée par une campagne plomb-plomb de 21 jours, au cours de laquelle la machine et toutes les expériences ont également fonctionné de manière optimale. ALICE, détecteur dédié à ce type de collisions d'ions lourds, a atteint un taux d'efficacité d'acquisition de données supérieur à 95 %, enregistrant 2 nb-¹ en données, ce qui fait de cette période sa campagne avec ions lourds la plus fructueuse à ce jour.

Le cycle spécial de collisions proton-oxygène, oxygène-oxygène et néon-néon au LHC, enregistrées par toutes les grandes expériences du LHC, a constitué une grande première cette année. L'analyse de ces nouvelles collisions a déjà confirmé la forme inhabituelle en « quille » des noyaux de néon. Par ailleurs, les premiers résultats d'ALICE apportent des indices probants de la formation de plasma quark-gluon ouvrant ainsi la voie à un nouveau mode d'étude de cet état extrême de la matière qui a dû exister juste après le Big Bang. LHCb, tirant parti de sa conception unique, a injecté durant ce cycle des gaz dans la chambre à vide du LHC, ce qui a permis d'ajouter des collisions oxygène-hydrogène et néon-néon à la vaste collection de données en mode cible fixe déjà acquises.

L'année 2025 a également été la dernière année complète de la troisième période d'exploitation du LHC, commencée en juillet 2022. Après un arrêt technique hivernal plus court qu'à l'accoutumée, la période d'exploitation pour la physique de l'année prochaine devrait commencer en mars et se terminer en juin. Le LHC sera ensuite arrêté pendant une longue période, pendant laquelle débuteront les préparatifs pour le LHC à haute luminosité (HL-LHC). Prévue pour 2030, cette version améliorée du LHC livrera environ cinq fois plus de collisions de particules aux expériences.

Pour répondre aux exigences liées à l'augmentation de la luminosité lors de la phase HL-LHC, les détecteurs ATLAS et CMS feront l'objet d'importantes améliorations au cours du troisième long arrêt (LS3). LHCb et ALICE entreprendront des rénovations partielles, en prévision des mises à niveau majeures prévues pour la deuxième période d'exploitation du HL-LHC.

Certains systèmes de déclenchement des expériences - il s'agit des systèmes qui sélectionnent les événements intéressants à retenir en vue d'une analyse ultérieure -ont déjà été améliorés en prévision de l'augmentation du nombre de collisions ; les systèmes améliorés ont été testés par l'ensemble des expériences au cours de la période d'exploitation 2025. À CMS, de nouveaux systèmes de déclenchement innovants, capables d'enregistrer des informations sur chaque collision du LHC dans un format de données réduit en vue d'une étude ultérieure, ont déjà donné des résultats. De plus, leur système perfectionné de détection des anomalies continue à bien fonctionner. Le système de déclenchement de premier niveau d'ATLAS a déjà amélioré ses performances pendant la période d'exploitation qui s'achève et continuera à être utilisé dans cette expérience.

L'augmentation du nombre de particules produites par le HL-LHC entraînera davantage de collisions simultanées ; ce phénomène est connu sous le nom d'« empilement ». Pour s'y préparer, le LHC a produit cette année, au cours decourtes périodes d'essai, près de 150 collisions simultanées au lieu des quelque 60 collisions qu'on attend habituellement. Ce défi de taille, relevé avec succès par l'équipe technique du LHC et l'ensemble des expériences, a également mis en évidence l'importance des améliorations à venir.

Les équipes techniques du CERN vont s'attaquer à présent à la question difficile de la maintenance des quelque 50 kilomètres du complexe des accélérateurs afin de préparer le LHC pour une dernière période d'exploitation avant l'arrêt de longue durée.

1- La luminosité intégrée correspond au volume de données collectées et est mesurée en femtobarns inverses (fb-1). Un femtobarn inverse correspond environ à 100 millions de millions de collisions.