Les collisions de protons dans le LHC constituent un micro-laboratoire qui permet d’étudier de nombreux phénomènes, et notamment les protons eux-mêmes. C’est cette physique que l’expérience TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement) vise à explorer, en procédant à des mesures précises des protons émis à très petits angles lors des collisions. Il s’agit d’une zone située au plus près des faisceaux, inaccessible aux autres expériences LHC.

TOTEM est l’expérience la plus « longue » du CERN. Ses détecteurs sont répartis sur une distance d’environ 500 mètres de part et d’autre du point d’interaction de CMS. Elle comprend près de 3 000 kg d’équipements, dont quatre « télescopes » et 26 détecteurs dits « pots romains ».  

Les télescopes (T1 et T2) utilisent des chambres à rubans cathodiques et des multiplicateurs d’électrons dans le gaz (GEM) pour détecter les particules émises lors des collisions au point d’interaction de CMS. Dans le même temps, les « pots romains » équipés de capteurs au silicium effectuent des mesures sur les protons diffusés. Nommés ainsi en raison de leur forme et parce qu’ils ont été utilisés pour la première fois par des physiciens de Rome, dans les années 1970, les « pots romains » sont les seuls détecteurs capables de déplacer leurs capteurs aussi bien verticalement qu’horizontalement dans le vide de l’accélérateur.

En 2015, les collaborations TOTEM et CMS coordonneront l’utilisation de leurs détecteurs pour réaliser des mesures combinées. Cette  collaboration renforcée débouchera sur des résultats d'une précision sans précédent, notamment des mesures de la masse invariante créée dans la collision.

L’expérience TOTEM compte une centaine de scientifiques provenant de 16 instituts de huit pays différents (août 2014).