L'usine à Z

Le Grand collisionneur électron-positon, le LEP, était un projet ambitieux. Non seulement l’accélérateur (le plus grand de l’époque) et les détecteurs étaient à la pointe du progrès, mais la phase de construction exigeait d’excaver un tunnel de 27 km de long à une profondeur d'environ 100 mètres, avec quatre immenses cavernes souterraines pour abriter les détecteurs.

L’histoire du LEP

La naissance du LEP

L'histoire du LEP a commencé à la fin des années 70, lorsque des physiciens des États membres du CERN se sont réunis pour discuter de l'avenir à long terme de la physique des hautes énergies en Europe. Un nouveau modèle des interactions fondamentales, unifiant les forces faible et électromagnétique, se dessinait, et le LEP apparaissait comme la machine qui allait permettre de l’étudier. Après les machines à protons, l’idée d’un collisionneur électron-positon marquait pour le CERN une rupture. Cependant, comme les résultats des collisions entre électrons et positons sont bien plus faciles à interpréter que ceux des collisions entre des protons et des antiprotons (qui s’imposaient comme l’avenir proche du CERN), la proposition du LEP l’emporta. Le projet LEP fut approuvé officiellement en 1981.

Le premier coup de pioche

Les travaux de génie civil commencèrent le 13 septembre 1983. Les Présidents des deux pays hôtes du CERN, François Mitterrand pour la France et Pierre Aubert pour la Suisse, donnèrent symboliquement le premier coup de pioche. Une bonne part de l'infrastructure nécessaire au nouvel accélérateur était déjà en place, puisqu’il était prévu que le complexe d'accélérateurs existant du CERN opère une préaccélération des électrons et des positons du LEP, mais un grand nombre d'installations nouvelles devaient être construites. Les plus apparentes étaient le tunnel de 27 kilomètres abritant la machine, ainsi que les halls d'expérimentation et les bâtiments de surface. Il fallait aussi des tunnels de transfert pour relier l'accélérateur SPS au LEP, ainsi que des bâtiments pour loger un accélérateur linéaire (linac), et des anneaux de stockage pour produire et accumuler des électrons et des positons. En dépit de la taille de l'entreprise, les progrès furent impressionnants. A la fin de 1984, les bâtiments du linac et de l'accumulateur électron-positon étaient terminés et dix des dix-huit puits d'accès avaient été creusés.

Les éléments de l'accélérateur

A la fin de 1987, les aimants du LEP étaient stockés et prêts à être installés. Les aimants de couleur blanche à l'arrière-plan sont les aimants dipolaires du LEP, qui se distinguent par leur conception originale. Ils sont constitués de plaques d'acier avec un garnissage de béton dans les interstices séparant les plaques. Les aimants de couleur bleue au premier plan sont des aimants quadripolaires de focalisation, et les petits aimants jaunes à l'arrière-plan des sextupôles qui corrigent la « chromaticité » des faisceaux ; de même que les systèmes optiques apportent des corrections aux différentes longueurs d'ondes constituant la lumière, ces sextupôles corrigent la dispersion des impulsions dans les faisceaux de particules du LEP. Au total, le LEP possède 3368 dipôles, 816 quadripôles, 504 sextupôles et 700 autres aimants qui apportent de légères corrections à l’orbite des faisceaux.

Le 8 février 1988, les deux extrémités du tunnel de 27 kilomètres, encore en cours de construction, se rejoignirent avec une erreur d'un centimètre seulement. Un faisceau fut ensuite injecté cette même année dans les premiers 2,5 kilomètres de l'anneau, et le premier faisceau circula le 14 juillet 1989. Les collisions commencèrent un mois après, le 13 août, cinq ans et onze mois exactement après le premier coup de pioche.

Augmenter l’énergie

Au cours de sa vie, le LEP a connu plusieurs optimisations. Au moment de l'arrêt de l'accélérateur, son énergie avait plus que doublé par rapport à son énergie de départ. Même à l'époque où le LEP était encore à l'étude, on avait fait preuve de clairvoyance en lançant un programme de R&D sur des cavités supraconductrices pour permettre au LEP d'accroître son énergie.

De nouvelles cavités ont été installées à partir de 1996 et, en 1998, un total de 272 cavités supraconductrices apportait une puissance suffisante pour que le LEP atteigne une énergie de collision totale de 189 GeV. Les seize dernières cavités supraconductrices du LEP furent installées l'année suivante, et l'énergie de la machine atteignit 192 GeV. Mais on allait faire encore mieux !

Les ingénieurs du LEP décidèrent de dépasser le point de fonctionnement nominal. L'énergie de collision fut portée à 202 GeV dès le mois de septembre 1999, et c'est à cette énergie que se déroula une grande partie du dernier mois d'exploitation en 1999. Les physiciens des accélérateurs du CERN retirèrent tous les obstacles afin d’augmenter autant que possible l'énergie de l'accélérateur et de maximiser les chances d'une nouvelle découverte. Huit anciennes cavités en cuivre furent remises en service et les cavités supraconductrices furent sollicitées encore davantage. Alors qu'il était à l'origine prévu pour des collisions électron-positron à des énergies maximales de 200 GeV, le LEP parvint à une énergie de collision supérieure à 209 GeV et fournit aux expériences la possibilité d'explorer des domaines inconnus.

Des membres des gouvernements du monde entier se réunirent au CERN le 9 octobre 2000 pour célébrer les succès du LEP et ses 11 années d’exploitation. Deux mois plus tard, les ingénieurs commencèrent à démanteler la machine pour qu’elle cède sa place dans le tunnel au LHC – le futur accélérateur – pour pousser la physique dans un autre domaine.