Tout savoir sur le Futur Collisionneur Circulaire (CERN)

Le projet du Futur Collisionneur Circulaire - Future Circular Collider (FCC) - du CERN continue de se préciser alors que les mois et les semaines défilent depuis la publication du rapport préliminaire de construction soumis par la collaboration internationale pour un FCC en janvier 2019.

La recherche d'une nouvelle physique en ligne de mire

Depuis la découverte du Boson de Higgs en 2012 grâce au Grand collisionneur de hadrons (LHC), le monde scientifique a clairement fait un pas en avant dans cette terra incognita qui leur permet d'appréhender l'infiniment petit en vérifiant et en questionnant le modèle standard de la physique des particules dans le but ultime d'élargir notre connaissance de la matière et de l'Univers.

L'actuel plus grand centre de physique des particules au monde, le CERN (Conseil européen pour la recherche nucléaire), n'est d'ailleurs pas le seul acteur à se montrer ambitieux pour repousser encore les frontières de l'énergie et de la technologie. Si les projets post-LHC dont nous allons détailler les enjeux au fil de ces lignes, nous laissent entrevoir de nouvelles découvertes dans les prochaines décennies, la Chine et le Japon sont eux aussi dans les starting blocks. L'Empire du Milieu a ainsi annoncé dès 2012 son projet de Circular Electron Positron Collider (CEPC), qui devrait mesurer 100 km de circonférence et permettre dans un premier temps de bénéficier d'une grande capacité de production de bosons. L'objectif final est de générer des collisions à une énergie de 70 TeV dans sa seconde phase : Super proton proton Collider (SppC).

Le gouvernement japonais attend quant à lui le soutien financier de ses partenaires internationaux (dont fait partie le CERN) pour savoir si oui ou non il accueillera l'International Linear Collider (ILC), un collisionneur linéaire qui permettra de mesurer les propriétés des particules découvertes au LHC avec une précision accrue.

Le CERN dévoile son futur collisionneur circulaire

La course avec la Chine pour débusquer une nouvelle physique des particules pourrait-elle revêtir des enjeux similaires à ceux qui ont longtemps animé la conquête spatiale ?

Force est de constater que le CERN a toujours été à l'avant-garde de la recherche, d'abord grâce à la découverte en 1983 des bosons W et Z qui ont permis de stimuler la recherche, mais aussi avec des retombées surprenantes dont la plus connue reste sans conteste le développement du World Wide Web qui verra le jour en 1989 grâce à Tim Berners-Lee et Roger Cailleau lors de leurs travaux visant à faciliter les échanges entre les équipes internationales du CERN.

La découverte en 2012 du boson de Brout-Englert-Higgs (BEH) avec le LHC a certainement fait entrer la physique des particules dans un nouveau champ des possibles en apportant un sérieux crédit au modèle standard, ce qui est également le cas avec la découverte du quark top au Fermilab, et du neutrino tauique grâce au Super Proton Synchrotron (SPS) du CERN.

Tube contenant les aimants supraconducteurs dans le tunnel du LHC

Grâce à sa stratégie européenne pour la physique des particules, sur laquelle le CERN travaille actuellement pour y initier une grande mise à jour afin d'établir une vision commune et à long terme autour de la discipline en Europe, nous en savons désormais un peu plus sur l'avenir du LHC et les collisionneurs qui lui succéderont.

C'est ainsi que début 2019 le rapport préliminaire de construction du FCC a été soumis à publication dans le cadre de la mise à jour de la stratégie européenne pour la physique des particules. Après une étude de faisabilité amorcée en 2013 et qui a réuni une collaboration internationale de plus de 1 300 contributeurs provenant de 150 universités du monde entier, le concept d'un Futur Collisionneur Circulaire se précise.

Il se précise d'autant que le projet a récemment été approuvé. Le 19 juin dernier, le Conseil du CERN a voté à l'unanimité la construction de ce FCC de 100 km de circonférence. Cette confirmation fait suite à l'approbation du projet par un groupe d'experts indépendants, plus tôt en mars. Fabiola Gianotti, directrice générale du CERN, n'a pas caché sa joie après cette décision, elle déclare : "Je pense que c'est une journée historique pour le CERN et la physique des particules, en Europe et au-delà".

Un projet estimé à 21 milliards d'euros

Seulement, reste une étape de taille à franchir pour le successeur du LHC, celle de trouver les fonds nécessaires à la construction et à la mise en place de cet ambitieux projet. L'approbation du projet n'est en effet qu'un début, cela va permettre au CERN de concentrer ses efforts sur sa nouvelle stratégie, mais aussi de mettre en place la nouvelle version du LHC, le High Luminosity LHC, et peut-être également explorer la possibilité de travailler avec le gouvernement japonais pour mettre sur pied le projet de l'International Linear Collider que nous évoquions plus haut.

Trouver le financement ne sera pas une tâche aisée, le projet étant actuellement estimé à 21 milliards d'euros. On peut s'attendre à ce que des pays comme la France, l'Allemagne, le Royaume-Uni, ou encore l'Espagne participent à cet effort, puisqu'ils ont déjà mis la main à la poche pour le LHC. Il est probable qu'une nouvelle structure voit le jour afin d'accueillir de nouveaux partenaires internationaux, comme les États-Unis. Le CERN possède néanmoins l'avantage du calendrier pour trouver le financement puisque la construction du FCC ne débutera pas avant 2038.

Il faudra donc convaincre ces partenaires du bien-fondé du projet. Encore une fois la tâche ne risque pas d'être facile, car le projet de FCC ne possède pas d'objectif clair et défini, contrairement au LHC qui avait le Boson de Higgs en ligne de mire.

Un accélérateur de particules puissant et gigantesque

Pourtant, si l'objectif n'est pas clairement défini, les enjeux portés par cette machine supraconductrice gigantesque sont multiples. Avec sa circonférence de 100 km et sa capacité à fournir une énergie allant jusqu'à 100 TeV (une puissance 10 fois supérieure à celle du LHC), elle pourrait profondément améliorer les connaissances dont disposent les chercheurs sur la physique fondamentale.

Selon Frederick Bordy, directeur des accélérateurs et de la technologie au CERN, le FCC « mobiliserait la communauté de la physique des particules durant tout le XXIe siècle », tandis que sa puissance de 100 TeV « rendrait possibles des études de précision sur la manière dont une particule de Higgs interagit avec une autre particule de Higgs, ainsi qu'une exploration approfondie du rôle de la brisure de symétrie électrofaible dans l'histoire de notre Univers ». Par ailleurs, le CERN indique qu'un futur collisionneur circulaire « offrirait à l'industrie des perspectives extraordinaires, en aidant à repousser encore plus loin les frontières de la technologie ».

© CERN

En ce qui concerne le tunnel de 100 km de circonférence qui accueillera le FCC, les plans dévoilés par le CERN montrent qu'il devrait passer sous le lac Léman, mais aussi en France, en Haute-Savoie pour être précis, comme nous pouvons le voir sur l'image ci-dessus.

Un programme d'envergure jusqu'en 2080

5 milliards d'euros devrait être consacrés uniquement à la construction du tunnel de 100 km de circonférence, le CERN table déjà sur une fin des travaux pour 2040.

Une machine occupant le même tunnel pourrait ensuite lui succéder afin de faire entrer en collision des protons d'ici la fin des années 2050 et ce jusqu'en 2080. En attendant, le LHC va être mis à niveau afin d'augmenter sa luminosité d'un facteur de 5 à 10. Les travaux pour un HL-LHC - High Luminosity Large Hadron Collider - ont par ailleurs déjà débuté depuis avril 2018. Il devrait être opérationnel d'ici 2026 et permettra aux physiciens d'étudier en détail certaines particules, d'observer de nouveaux phénomènes, mais aussi de produire pas moins de 15 millions de bosons de Higgs par an, contre 3 millions pour le LHC. La fin programmée de ce collisionneur de 27 km de circonférence interviendra ainsi en 2038.

Prototype d'un aimant quadripôle pour le LHC à haute luminosité © CERN

Pour conclure, si la recherche fondamentale n'est pas toujours couronnée de succès, les enjeux ici sont immenses puisqu'il s'agit d'écrire une nouvelle page de la physique des particules en vérifiant ou en remettant en cause le modèle standard.

En outre, si les secrets de l'Univers ne seront pas nécessairement percés avec le FCC, il faut bien noter que la recherche fondamentale en physique des particules a toujours dépassé son propre cadre avec des éventuelles applications utiles à tous, comme on peut le voir dans le domaine spatial. Parmi ces applications, on peut par exemple citer le développement de lignes de transmissions innovantes pour le transport d'électricité renouvelable sur de grandes distances grâce aux aimants supraconducteurs, ou encore diverses applications en médecine.