Certains des plus grands secrets de la physique, et donc de l’Univers, nécessitent des moyens techniques conséquents et des quantités d’énergie énormes pour être élucidés. Jusqu’ici, en physique des particules, le LHC (Grand Collisionneur de Hadrons) a permis des découvertes remarquables grâce à sa haute capacité énergétique et à la précision des mesures effectuées, du boson de Higgs à l’accélération d’atomes entiers, sans compter les nombreuses particules découvertes. Hier, la collaboration FCC (Futur Collisionneur Circulaire) a soumis son rapport de conception (CDR) pour publication. Le rapport dévoile un gigantesque accélérateur de particules, d’une circonférence de 100 kilomètres.
Les objectifs de ce grand projet sont multiples, et tous plus intéressants les uns des autres. Il s’agit de déverrouiller le plein potentiel de la recherche en physique des particules, non seulement pour la découverte de nouvelles particules, mais aussi pour étudier le boson de Higgs plus en profondeur, ainsi que pour tenter d’en apprendre plus au sujet de la matière noire. Il fournirait également une formation exceptionnelle à une nouvelle génération de chercheurs et d’ingénieurs.
Les physiciens européens ont pour objectif de construire un accélérateur de particules capable de rivaliser avec tout ce que nous avons pu voir auparavant, une machine si puissante qui, bien qu’à contre coeur, pourrait donner l’impression que le célèbre LHC (Grand Collisionneur de Hadrons), faisant déjà 27 km de circonférence, n’était qu’une expérience de petite envergure (bien que cela ne soit absolument pas le cas).
Des responsables de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) viennent de présenter les résultats d’une étude qui dévoile au grand jour la conception et la potentielle future construction de la structure, qui devrait ouvrir le prochain chapitre de la physique des particules. Un accélérateur de nouvelle génération, qui devrait nous aider à résoudre des problèmes de physique fondamentale sans précédent.
Structure et implantation du nouveau collisionneur, le Futur Collisionneur Circulaire
Crédits : CERN
Le projet : un collisionneur circulaire de 100 km, d’un coût estimé à 9 milliards d’euros. Une telle circonférence le place aux côtés du futur accélérateur chinois que nous vous dévoilions il y a peu, le collisionneur électron-positron circulaire (CEPC).
Pour le moment, son nom est simplement Futur Collisionneur Circulaire (en anglais, Future Circular Collider), ou FCC. Une fois entré en fonction d’ici les prochaines décennies, et que la recherche de nouvelles données physiques aura débuté, son nom pourrait bien entendu changer.
Le plus puissant accélérateur de particules construit à ce jour, véritable bijou du CERN, le LHC, est un accélérateur de particules situé à la frontière franco-suisse, près de Genève. Sa boucle d’aimants supraconducteurs permet aux flux de protons d’atteindre 99.9999991% de la vitesse de la lumière dans le vide, fournissant à chaque proton une énergie de 6.5 téraélectronvolts : suffisamment pour permettre l’apparition de nouvelles particules exotiques.
La plus célèbre de ces particules, et des découvertes du LHC, n’est autre que le boson de Higgs, une particule qui dans les années 1960 était présumée responsable de la masse manquante dans l’Univers. Ce n’est qu’en 2012, entre les murs du CERN, qu’elle a finalement pu être confirmée.
Sa découverte a complété l’ensemble des objets prédits par la physique théorique, qui constituent les blocs de construction fondamentaux de la réalité, et cette théorie constitue un modèle, le modèle standard.
Mais même avec le modèle confirmé, notre recherche de compréhension est loin d’être terminée. Nous avons encore beaucoup de grandes questions à résoudre, et la technologie actuelle n’est tout simplement pas à la hauteur du défi, elle ne permet pas encore de fournir toutes les preuves dont nous avons besoin pour répondre à ces questions restées en suspens.
Pourquoi la gravité est-elle si faible comparée aux autres forces ? D’où vient la faible masse du neutrino ? Pourquoi le boson de Higgs est-il si léger ? Pourquoi l’antimatière est présente en moins grande quantité que la matière baryonique (ordinaire) ? Et quelle est la vraie nature de cette mystérieuse matière noire ?
En effet, les preuves expérimentales exigent que la physique au-delà du modèle standard prenne en compte certaines observations, telles que la matière noire, ou la domination de la matière sur l’antimatière. La recherche d’une nouvelle physique, pour laquelle un futur collisionneur circulaire aurait un vaste potentiel de découverte, est donc d’une importance primordiale pour progresser de manière significative dans notre compréhension de l’univers.
Aujourd’hui, le LHC permet une énergie d’impacts combinés de 13 TeV (téraélectronvolts), mais le FCC quant à lui, permettra de développer une énergie jamais atteinte jusqu’ici, pouvant aller jusqu’à 100 TeV. De quoi faire de jolis et prometteurs « feux d’artifice » particulaires.
Toutefois, le CERN annonce que la première étape d’étude prévue avec le FCC sera « moins ambitieuse » que ce qui se fait actuellement avec le LHC. Dans un premier lieu, la gigantesque machine servira à faire collisionner des électrons avec leur homologue de l’antimatière, les positrons (ou antiélectrons). Cela diffère de ce qui se fait actuellement au LHC, qui permet la collision de hadrons (les protons et les neutrons sont des hadrons), et ces derniers ont une masse plus importante que les électrons. La composition des hadrons — trois quarks maintenus ensemble par des gluons — laisse également un désordre plus important après la collision.
D’ailleurs, les énergies mises à l’oeuvre dans la première phase du FCC ne seront même pas aussi élevées que celles du LHC, bien qu’elles seront toujours plus hautes que tout ce qui avait été fait auparavant pour ce type de particules. Cela sera en tout cas suffisant pour donner naissance aux bosons de Higgs, et le résultat final sera beaucoup plus facile à analyser qu’avec le LHC.
L’ajout d’un accélérateur de protons à part entière, bien qu’utilisant le même tunnel de 100 km, nécessitera toutefois un investissement supplémentaire de 15 milliards d’euros. En considérant ce point ainsi qu’en estimant la durée de mise en place de la phase initiale, l’accélérateur de protons en question ne serait pas fonctionnel avant fin 2050.
Pendant ce temps, la Chine a ses propres projets. Son collisionneur électron-positron circulaire (CEPC), d’une valeur de 30 milliards de yuans (environ 5 milliards d’euros), pourrait être opérationnel dès les années 2030, permettant ainsi de prendre une longueur d’avance sur les multiples collisions nécessaires pour constituer la gigantesque banque de données statistiques nécessaire à la découverte de failles au sein du modèle standard.
S’il parvient à convaincre son gouvernement, le Japon pourrait également obtenir sa propre version d’un accélérateur permettant de générer des bosons de Higgs.
La structure proposée pour le Futur Collisionneur Circulaire
Crédits : Charitos, Panagiotis/CERN
Il est aussi important de souligner que pour le moment, la réalisation du FCC n’est pas garantie, faute de convaincre toutes les parties nécessaires. En effet, mis à part pour les particules de Higgs, le LHC n’a pas répondu à toutes les attentes, et n’a pas non plus révélé un si grand nombre de nouvelles particules, comme l’espéraient les physiciens.
Vidéo complète présentant le projet, proposée par le CERN :
