Enfouies à quelque 100 mètres sous terre, le long de l'anneau de 27 kilomètres du Grand collisionneur de hadrons (LHC), se trouvent quatre expériences de la taille d'un immeuble. ATLAS et CMS sont des détecteurs polyvalents, conçus pour explorer toute une gamme de phénomènes de physique, allant du boson de Higgs à la matière noire ; ALICE se spécialise dans l’étude du plasma quark-gluon, un état de la matière dont on pense qu’il aurait existé quelques instants après le Big Bang, et LHCb cherche à comprendre les différences entre matière et antimatière en analysant des quarks beauté.

Mais le plus puissant accélérateur de particules au monde abrite également d’autres expériences. Trois expériences de taille plus réduite – TOTEM, LHCf et MoEDAL – partiront également en quête d'une « nouvelle physique » début juin, date à laquelle commencera l'acquisition de données lors des toutes premières collisions à 13 téraélectronvolts (TeV) dans le LHC.

L’expérience TOTEM effectue des mesures très précises sur les protons issus des collisions dans le LHC qui ont une trajectoire formant un angle très faible avec le faisceau. On parle de la région des « petits angles ». Les détecteurs de TOTEM sont répartis sur une distance de presque 500 mètres de part et d’autre du point d’interaction de CMS. Au cours de la deuxième période d’exploitation du LHC, les collaborations TOTEM et CMS coordonneront l’utilisation de leurs détecteurs pour réaliser des mesures combinées d’une précision inédite.

« TOTEM continuera à nous renseigner sur la structure du proton, ainsi que les processus diffractifs auxquels on s'intéresse en physique des petits angles et des rayons cosmiques, explique Simone Giani, porte-parole de TOTEM. Regrouper les données de TOTEM et de CMS rendra possible la mesure de "l'énergie manquante", ce qui pourrait permettre des découvertes dans un espace de phase inaccessible aux expériences précédentes. »

L'expérience LHCf (Large Hadron Collider forward) mesure les particules neutres émises à un angle de presque zéro degré par rapport à la direction du faisceau de protons. Ces particules « à très petits angles » transportent une grande partie de l'énergie de collision ; elles sont donc importantes pour comprendre le développement des gerbes de particules produites dans l'atmosphère par les rayons cosmiques de très haute énergie. Pour mesurer ces particules, deux détecteurs nommés Arm1 et Arm2 sont installés le long de la ligne de faisceau du LHC, à 140 mètres de chaque côté du point de collision d'ATLAS.

« Depuis leur conception en 2004, les détecteurs de LHCf ont été perfectionnés au fil des années, et leurs performances et leur résistance aux rayonnements ont été fortement améliorées en vue des collisions proton-proton à 13 TeV, explique Lorenzo Bonechi, qui dirige une équipe de la collaboration LHCf à Florence (Italie). Les données collectées par LHCf lors des collisions à 7 TeV concordent bien avec les prédictions des modèles pour la production de photons à petits angles et de pions neutres, mais pas pour les neutrons à petits angles. L’exploitation à 13 TeV est une excellente occasion de confirmer ces résultats au moyen de collisions dont l'énergie est augmentée d’un facteur quatre dans le référentiel du laboratoire, et de tester les modèles plus précisément qu'à 7 Tev. »

MoEDAL, la plus récente des expériences du LHC, est conçue pour rechercher des avatars fortement ionisants de la nouvelle physique, tels que les monopôles magnétiques. Son programme de physique définit de nombreux scénarios pour apporter des éléments de réponse à des questions telles que : existe-t-il d'autres dimensions ou de nouvelles symétries ? la charge magnétique existe-t-elle ? quelle est la nature de la matière noire ?

MoeDAL, un dispositif en grande partie passif situé au point 8 du LHC, a deux fonctions. D’une part, il fonctionne comme un gigantesque appareil photo composé de plus de 200 mètres carrés de détecteurs de traces nucléaires sensibles uniquement à la nouvelle physique, qui sont analysés en différé par des microscopes à balayage ultra-rapide. D’autre part, sa station de piégeage de près d'une tonne est capable de capturer des particules messagères d'une physique au-delà du Modèle standard pour les étudier plus en détail.

« MoEDAL collectera ses premières données en juin 2015, explique son porte-parole James Pinfold. Toute découverte faite grâce à MoEDAL aurait un impact révolutionnaire, comparable à celui de la découverte du boson de Higgs. »

L’acquisition des premières données étant prévue pour début juin, les expériences petites et grandes du LHC se préparent à explorer de nouveaux territoires dans le monde de la physique.