Du boson de Higgs au Web : les technologies du CERN qui ont changé la science et le monde
Le CERN est connu pour ses accélérateurs et ses découvertes en physique des particules. Mais derrière le LHC se cache aussi un immense laboratoire technologique, à l’origine de développements qui dépassent largement les frontières de la physique.
Par Adrien Hassler
Lorsque l’on pense au CERN, les images qui viennent généralement à l’esprit sont celles du LHC, de ses immenses tunnels souterrains et du boson de Higgs découvert en 2012.
Pourtant, le CERN ne se résume pas à ses expériences de physique fondamentale.
Pour parvenir à accélérer des particules à des vitesses proches de celle de la lumière, à les faire circuler dans un anneau de 27 kilomètres et à analyser les collisions produites plusieurs millions de fois par seconde, les chercheurs et ingénieurs ont dû développer des technologies extrêmement avancées.
Supraconductivité, cryogénie, électronique, informatique distribuée, traitement massif des données ou encore systèmes de détection : le CERN est devenu au fil des décennies un véritable laboratoire d’innovation.
Certaines de ces technologies restent très spécialisées. D’autres ont trouvé des applications dans des domaines aussi différents que la médecine, l’informatique ou l’industrie.
Et l’un des exemples les plus célèbres de cette histoire ne concerne même pas directement le LHC.
Il s’appelle World Wide Web.
Le boson de Higgs : une découverte qui nécessitait une machine hors norme
Avant de parler de technologie, il faut revenir à ce qui constitue l’une des grandes réussites scientifiques du CERN : la découverte du boson de Higgs.
En 1964, plusieurs physiciens, dont François Englert et Peter Higgs, proposent l’existence d’un champ qui interagit avec les particules élémentaires et explique notamment l’origine de leur masse.
Pendant près de cinquante ans, cette hypothèse reste impossible à vérifier expérimentalement.
Il faut attendre le développement du LHC pour disposer d’une machine capable de produire suffisamment de collisions à haute énergie pour rechercher cette particule.
Le 4 juillet 2012, les collaborations ATLAS et CMS annoncent avoir observé une nouvelle particule présentant les caractéristiques attendues du boson de Higgs, avec une signification statistique atteignant le fameux seuil de cinq sigmas. (CERN)
Le boson de Higgs n’est pas une particule que l’on peut simplement observer dans la nature avec un télescope.
Il doit être produit lors de collisions de particules, puis identifié indirectement grâce aux particules issues de sa désintégration. Sa durée de vie est extrêmement courte, de l’ordre de 10⁻²² seconde. (CERN)
La découverte constitue donc autant une réussite de la physique qu’une démonstration de la puissance technologique nécessaire pour explorer l’infiniment petit.
Nous avons justement consacré notre précédent article au LHC et à sa transformation en High-Luminosity LHC, qui doit permettre d’augmenter considérablement le nombre de collisions disponibles pour les physiciens.
Mais pour construire une machine capable de réaliser ces expériences, il fallait résoudre un problème fondamental : comment maintenir et guider des faisceaux de particules extrêmement énergétiques sur une trajectoire circulaire ?
La réponse passe par la supraconductivité.
Des aimants plus puissants que les technologies classiques
Le LHC possède environ 9 000 aimants supraconducteurs, utilisés pour guider et focaliser les faisceaux de protons dans son anneau de 27 kilomètres. (CERN)
Des électroaimants classiques auraient été beaucoup trop volumineux et inefficaces pour atteindre les performances nécessaires.
Les ingénieurs du CERN utilisent donc des matériaux supraconducteurs, notamment du niobium-titane, qui peuvent conduire des courants électriques très importants sans résistance lorsqu’ils sont suffisamment refroidis.
Dans les aimants principaux du LHC, le courant peut atteindre environ 11 850 ampères, tandis que le champ magnétique atteint 8,33 teslas. (CERN)
Mais cette technologie impose une condition extrême : le froid.
Très froid.
Le LHC est plus froid que l’espace
Les aimants principaux du LHC fonctionnent à environ 1,9 kelvin, soit −271,3 °C.
C’est encore plus froid que la température moyenne de l’espace intersidéral, estimée à environ 2,7 kelvins.
Pour maintenir ces conditions, le CERN utilise un immense système cryogénique fonctionnant notamment avec de l’hélium superfluide. Environ 23 des 27 kilomètres du LHC sont refroidis. (CERN)
Cette infrastructure constitue elle-même une prouesse technologique.
Le système nécessite notamment environ 120 tonnes d’hélium et une puissance électrique d’environ 40 MW pour ses installations cryogéniques. (CERN)
Ce détail permet de comprendre une chose importante : dans un accélérateur moderne, la physique et l’ingénierie sont indissociables.
Pour observer une particule élémentaire, il faut d’abord être capable de fabriquer et de contrôler les conditions physiques permettant son apparition.
La supraconductivité pourrait dépasser largement le CERN
Le développement de ces technologies ne s’arrête pas au LHC.
Pour le futur High-Luminosity LHC, le CERN travaille déjà sur de nouveaux systèmes supraconducteurs capables de transporter des courants importants à des températures plus élevées.
Les futurs câbles utiliseront notamment du MgB₂, tandis que certains composants feront appel à des supraconducteurs à haute température de type REBCO.
Le terme « haute température » reste toutefois très relatif : ces systèmes fonctionneront jusqu’à environ 25 kelvins, soit encore −248 °C. (CERN)
Pourquoi chercher à travailler à une température plus élevée ?
Parce que maintenir un système à 25 kelvins est considérablement plus simple que de le maintenir à 1,9 kelvin.
Si ces technologies deviennent suffisamment fiables et économiques, elles pourraient intéresser d’autres domaines : médecine, fusion nucléaire, transport magnétique ou encore certaines applications spatiales.
Le CERN souligne lui-même le potentiel de ces supraconducteurs pour des applications situées bien au-delà des accélérateurs de particules. (CERN)
Le futur collisionneur pousse encore plus loin ces technologies
Et c’est précisément là que le Future Circular Collider entre en scène.
Comme nous l’expliquions dans notre article consacré au FCC, le projet actuellement étudié par le CERN prévoit un tunnel d’environ 90,7 kilomètres, soit plus de trois fois la circonférence du LHC.
Une première machine, le FCC-ee, fonctionnerait avec des électrons et des positons afin d’étudier notamment le boson de Higgs avec une précision extrêmement élevée.
Une éventuelle seconde étape pourrait ensuite utiliser des protons et atteindre des énergies de collision allant jusqu’à environ 100 TeV. (CERN)
Cette perspective impose de nouvelles avancées technologiques.
Des champs magnétiques plus importants, des aimants plus performants, des systèmes cryogéniques plus efficaces et des infrastructures capables de gérer des volumes de données considérables seront nécessaires.
Le FCC montre ainsi que la recherche fondamentale fonctionne souvent comme un moteur technologique : une question scientifique impossible à résoudre avec les outils existants oblige les ingénieurs à inventer de nouveaux outils.
Le Web est né au CERN
L’exemple le plus célèbre reste pourtant beaucoup plus proche de notre quotidien.
En 1989, le chercheur britannique Tim Berners-Lee, alors au CERN, propose un système destiné à faciliter le partage d’informations entre les scientifiques travaillant dans différentes universités et institutions.
Le projet prend le nom de World Wide Web.
Le premier site Internet de l’histoire est créé au CERN sur un ordinateur NeXT de Berners-Lee.
En 1993, le CERN décide de placer le logiciel du Web dans le domaine public, permettant ainsi sa diffusion mondiale. (CERN)
La conséquence est connue de tous.
Le Web devient progressivement l’une des infrastructures fondamentales de la société numérique.
Il faut cependant faire une distinction importante : Internet n’a pas été inventé au CERN. Le réseau Internet existait déjà.
Ce que Berners-Lee a créé au CERN, c’est le système qui allait permettre de naviguer facilement entre des documents reliés par des hyperliens : le Web.
Cette distinction est souvent oubliée.
Pourquoi le CERN avait-il besoin du Web ?
L’origine du Web est directement liée à un problème scientifique.
Le CERN rassemble des chercheurs venant du monde entier, travaillant sur des expériences complexes et produisant énormément d’informations.
Il fallait pouvoir partager rapidement des documents, des résultats, des informations techniques et des données entre des équipes qui ne se trouvaient pas nécessairement dans le même pays.
Le Web a donc été conçu à l’origine comme un outil de collaboration scientifique.
C’est un exemple particulièrement révélateur de la manière dont une innovation peut changer de dimension.
Un outil créé pour permettre à des physiciens de mieux travailler ensemble est devenu une infrastructure utilisée quotidiennement par plusieurs milliards de personnes.
Quand la physique rencontre l’informatique
Le Web n’est pas le seul exemple.
Le CERN doit également gérer des quantités considérables de données issues des expériences du LHC.
Pour cela, l’organisation participe au Worldwide LHC Computing Grid, une infrastructure informatique distribuée permettant à des milliers de chercheurs d’accéder aux données produites par les expériences. (CERN)
Le principe est relativement simple : plutôt que de conserver et traiter toutes les données dans un seul centre informatique, le système répartit une partie du stockage et du calcul entre de nombreux centres connectés à travers le monde.
Cette architecture préfigure à certains égards les infrastructures distribuées modernes.
Et elle rejoint directement un sujet que nous avons déjà abordé sur AdrienTech : l’explosion des besoins de calcul provoquée par l’intelligence artificielle.
Les data centers modernes doivent eux aussi répartir, stocker et traiter des volumes gigantesques de données.
La différence est que, dans le cas de l’IA, ce sont désormais des modèles capables de générer du texte, des images, du code ou des décisions qui utilisent cette puissance de calcul.
Une science qui doit apprendre à traiter toujours plus de données
Le parallèle entre le CERN et l’intelligence artificielle devient particulièrement intéressant.
Dans les deux cas, la puissance des instruments augmente plus rapidement que la capacité humaine à analyser directement toutes les informations produites.
C’est exactement ce que nous observons actuellement en astronomie.
Le James Webb Space Telescope, puis le Vera C. Rubin Observatory, génèrent des volumes de données qui nécessitent des outils informatiques capables de sélectionner automatiquement les informations pertinentes.
Dans notre article consacré à l’IA et aux GPU en astronomie, nous expliquions comment l’intelligence artificielle devient progressivement une interface entre les instruments scientifiques et les chercheurs.
Le CERN connaît déjà ce problème depuis plusieurs décennies.
La différence est que les prochaines générations de physique des particules vont encore augmenter cette pression sur les infrastructures informatiques.
Des technologies développées pour la physique… utilisées en médecine
Les applications du CERN ne concernent pas uniquement l’informatique.
Les technologies développées autour des accélérateurs et des détecteurs peuvent également trouver des applications médicales.
L’un des domaines les plus importants concerne la protonthérapie, une technique de traitement de certains cancers utilisant des faisceaux de protons pour cibler les tumeurs.
Le principe repose lui aussi sur la capacité à accélérer et contrôler précisément des particules chargées.
Le CERN participe depuis longtemps à des projets visant à transférer certaines technologies issues de la physique des particules vers le domaine médical.
Plus largement, l’organisation dispose d’un programme de transfert de connaissances destiné à soutenir les projets utilisant des technologies développées au laboratoire dans des domaines extérieurs à la physique des hautes énergies. Le CERN indique que plus de 100 projets ont déjà bénéficié de certains de ces dispositifs de financement, dans des secteurs allant de la santé à l’aérospatiale. (CERN)
Des détecteurs capables de voir l’invisible
Les détecteurs du CERN constituent eux aussi des technologies remarquables.
Pour identifier les particules produites lors des collisions, les expériences ATLAS et CMS utilisent plusieurs couches de détecteurs capables de mesurer différentes propriétés : trajectoire, énergie, charge électrique ou nature des particules.
Le problème est particulièrement difficile.
Une collision peut produire un grand nombre de particules et les événements intéressants sont souvent noyés dans une immense quantité d’informations.
Les chercheurs doivent donc développer des systèmes capables de sélectionner les événements intéressants presque instantanément.
Cette logique devient de plus en plus proche de celle de l’intelligence artificielle moderne : détecter un signal pertinent dans une masse considérable de données.
Le CERN développe aussi des technologies pour l’énergie
La supraconductivité pose toutefois une difficulté majeure : le refroidissement consomme lui-même beaucoup d’énergie.
C’est l’un des paradoxes de cette technologie.
Un câble supraconducteur peut transporter énormément de courant avec très peu de pertes électriques, mais il faut dépenser de l’énergie pour le maintenir suffisamment froid.
Le CERN travaille donc également sur des systèmes permettant de réduire cette consommation.
L’organisation étudie notamment la possibilité d’utiliser des câbles supraconducteurs sur une plus grande partie du trajet entre les sources d’électricité et les aimants du LHC. L’objectif est de réduire les pertes et d’améliorer l’efficacité globale du système. (CERN)
Ce type de recherche devient particulièrement intéressant à une époque où la consommation énergétique des infrastructures technologiques est devenue un enjeu majeur.
Que l’on parle de data centers, d’intelligence artificielle ou d’accélérateurs de particules, une même question revient : comment obtenir davantage de puissance de calcul ou de performance scientifique sans augmenter proportionnellement la consommation énergétique ?
Une logique commune avec l’intelligence artificielle
C’est peut-être ici que le CERN rejoint le plus directement les technologies actuelles.
L’intelligence artificielle cherche aujourd’hui à produire davantage de calcul avec des architectures toujours plus spécialisées.
Les GPU permettent d’effectuer massivement certaines opérations en parallèle.
Les data centers développent de nouvelles méthodes de refroidissement.
Les réseaux doivent transporter des quantités croissantes de données.
Et les ingénieurs cherchent constamment à réduire l’énergie consommée par chaque opération.
Le CERN est confronté à des problèmes comparables, même si les applications sont totalement différentes.
Pour faire fonctionner le LHC, il faut maîtriser simultanément le froid, l’électricité, les champs magnétiques, le vide, l’électronique et l’informatique.
Le futur FCC devra pousser cette intégration encore plus loin.
Le véritable héritage du CERN
Il serait donc réducteur de mesurer la réussite du CERN uniquement au nombre de particules découvertes.
Le boson de Higgs constitue évidemment une avancée scientifique majeure.
Mais le véritable héritage du laboratoire est peut-être plus large.
Le CERN a contribué à développer ou accélérer des technologies liées à la supraconductivité, à la cryogénie, aux détecteurs, au traitement massif des données et à la collaboration informatique mondiale.
Et au-dessus de toutes ces technologies se trouve un exemple devenu presque banal : le Web.
Nous utilisons quotidiennement une technologie née dans un laboratoire de physique fondamentale sans forcément savoir qu’elle a été imaginée pour permettre à des scientifiques de mieux communiquer.
C’est une caractéristique récurrente de la recherche fondamentale.
Au moment où une technologie est développée, personne ne sait nécessairement quelles seront ses applications dans vingt ou cinquante ans.
Le FCC sera peut-être la prochaine grande source d’innovations
C’est ce qui rend le projet FCC particulièrement intéressant.
Si le futur collisionneur est finalement construit, il faudra développer de nouveaux aimants, de nouveaux matériaux, des systèmes cryogéniques plus performants, des infrastructures informatiques capables de traiter d’immenses volumes de données et des méthodes de détection encore plus précises.
Certaines de ces technologies resteront probablement confinées à la physique des particules.
D’autres pourraient sortir du laboratoire.
Il est évidemment impossible de savoir lesquelles.
C’est précisément pour cette raison que la recherche fondamentale conserve une valeur particulière : elle développe des technologies avant même que leur marché ou leur utilisation ne soient connus.
Le Web en est probablement le meilleur exemple.
En 1989, Tim Berners-Lee cherchait surtout un moyen plus efficace pour les scientifiques du CERN de partager des informations.
Il n’imaginait probablement pas qu’un jour, son système deviendrait l’une des principales infrastructures de communication de la planète.
De l’infiniment petit aux technologies du quotidien
Le CERN poursuit donc deux missions qui peuvent sembler très différentes.
La première consiste à comprendre les constituants fondamentaux de l’Univers.
La seconde, plus indirecte, consiste à développer les outils nécessaires pour y parvenir.
C’est cette deuxième mission qui produit parfois les conséquences les plus inattendues.
Le boson de Higgs nous renseigne sur la structure fondamentale de la matière.
Les aimants supraconducteurs permettent de contrôler des particules à des énergies extraordinaires.
La cryogénie permet de maintenir ces systèmes dans des conditions extrêmes.
Les détecteurs transforment des collisions invisibles en données.
Les réseaux informatiques permettent à des milliers de scientifiques de travailler ensemble.
Et le Web a transformé la manière dont le monde entier partage l’information.
Le futur Future Circular Collider pourrait prolonger cette histoire.
Nous ne savons pas encore quelles découvertes scientifiques il permettra de réaliser.
Nous ne savons pas non plus quelles technologies naîtront de sa construction.
Mais l’histoire du CERN montre une chose : les innovations les plus importantes ne sont pas toujours celles que l’on cherche au départ.
À propos de l’auteur
Adrien Hassler est le créateur d’AdrienTech, un média consacré à l’intelligence artificielle, aux nouvelles technologies, aux infrastructures numériques et à l’astronomie. À travers ses articles, il analyse les évolutions scientifiques et technologiques qui transforment progressivement notre compréhension du monde.
