Le complexe d’accélérateurs du CERN consiste en une succession de machines qui accélèrent les particules à des énergies croissantes. Chaque machine augmente l’énergie d’un faisceau de particules avant de l’injecter dans la machine suivante. Dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC), le dernier élément de la chaîne, chaque faisceau de particules est ainsi porté à l’énergie record de 6,5 TeV.
En 2020, l'accélérateur linéaire 4 (Linac 4) est devenu la source de faisceaux de protons du complexe. Le Linac 4 porte des ions d'hydrogène négatifs (ions H-, soit un atome d'hydrogène et un électron supplémentaire) à l’énergie de 160 MeV pour les préparer à être injectés dans le Booster du Synchrotron à protons (PSB). Au moment de leur injection dans le PSB, les ions sont débarrassés de leurs deux électrons, de sorte que ne subsistent que les protons. Ces derniers sont accélérés jusqu’à atteindre une énergie de 2 GeV avant d'être injectés dans le Synchrotron à protons (PS), qui accélère encore le faisceau pour le porter à 26 GeV. Puis les protons sont envoyés dans le Supersynchrotron à protons (SPS), où ils atteignent 450 GeV.
Enfin, les protons sont envoyés dans les deux tubes de faisceau du LHC. Le faisceau circule dans le sens des aiguilles d’une montre dans le premier tube, et dans le sens inverse dans le deuxième. Il faut 4 minutes et 20 secondes pour remplir chacun des deux anneaux du LHC, et 20 minutes pour que les protons atteignent leur énergie maximale de 6,5 TeV. En conditions d’exploitation normales, les faisceaux circulent pendant plusieurs heures dans les tubes du LHC. Les deux faisceaux entrent en collision à l’intérieur de quatre détecteurs – ALICE, ATLAS, CMS et LHCb ; au point de collision, l’énergie totale est de 13 TeV.
Le LHC n’accélère pas que des protons. Les ions plomb du LHC sont issus d’une source de plomb vaporisé et passent par le Linac 3 avant d’être collectés et accélérés dans l'Anneau d’ions de basse énergie (LEIR). Ensuite, les ions suivent le même parcours que les protons pour être portés à l’énergie maximale.
Un programme expérimental diversifié
Le complexe d’accélérateurs n'est pas réservé à l'usage unique du LHC, mais sert également à mener un programme expérimental riche et varié. La plupart des autres accélérateurs de la chaîne disposent de leur propre hall d’expérimentation, dans lequel les faisceaux sont utilisés pour des expériences réalisées à des énergies plus basses.
Le PSB fournit des faisceaux de protons à l'installation ISOLDE (Isotope Separator On Line Device), y compris à HIE-ISOLDE, ainsi qu'à l'installation MEDICIS.
Le PS alimente le Décélérateur d'antiprotons, l'installation de mesure du temps de vol des neutrons (n_TOF), ainsi qu'une zone d'expérimentation appelée Zone Est, qui héberge les expériences CLOUD, IRRAD et CHARM.
Le SPS fournit des faisceaux aux expériences COMPASS, NA61/SHINE, NA62, NA63, NA64, NA65 et UA9 de la Zone Nord, ainsi qu'à la plateforme neutrino du CERN, à l'expérience AWAKE et à l'installation HiRadMat.
Le LHC, enfin, dessert quatre grandes expériences – ALICE, ATLAS, CMS et LHCb, et cinq plus petites – TOTEM, LHCf, MoEDAL-MAPP, FASER et SND@LHC.
