Pour cela, le Centre européen de physique des particules vient de publier un rapport sur le projet pour la construction du nouveau LHC. Et si le collisionneur de hadrons actuel ressemblait déjà à une énorme structure, le nouvel accélérateur multipliera cette taille par quatre.
Le Future Circular Collider (FCC)
Le projet propose plusieurs avant-projets pour ce que l’on appelle maintenant le Future Circular Collider (FCC), qui deviendra ainsi le plus puissant accélérateur jamais construit et qui sera capable de frapper différents types de particules avec des énergies jamais vues auparavant. Son coût est estimé à 9 milliards d’euros. Le projet récemment présenté dans le cadre de la mise à jour de la stratégie européenne pour la physique des particules, qui définira l’avenir de cet important domaine de recherche au moins dans la seconde moitié de ce siècle.
C’est un grand pas en avant, déclare Gian Francesco Giudice, qui dirige le département théorique du CERN. C’est comme planifier un voyage non pas vers Mars, mais vers Uranus.
Physique, dans une impasse
Après la découverte historique du boson de Higgs en 2012, le collisionneur actuel (LHC) n’a pas redécouvert de nouvelles particules. Et les physiciens pensent que les nouvelles découvertes cruciales que les experts espèrent réaliser en augmentant autant que possible l’énergie de collision. Selon Halina Abramovicz, physicienne à l’Université de Tel Aviv qui dirige la stratégie européenne, le potentiel d’une machine comme la FCC est très excitant, car elle nous permet d’explorer les plus hautes énergies possibles avec des projets audacieux. Il ajoute que les caractéristiques finales du nouveau collisionneur seront discutées en profondeur et comparées au reste des projets présentés.
En ce sens, le Conseil du CERN, auquel participeront des chercheurs et des délégués des gouvernements des pays membres, sera l’organe qui décidera finalement de financer ou non le projet.
Michael Benedikt, le physicien du CERN qui dirige le projet FCC, nous assure que ce serait une solution qui serait intéressante sans tenir compte des résultats scientifiques possibles. De tels efforts et projets à grande échelle, explique Benedikt, sont d’énormes initiateurs pour la création de réseaux et de connexions d’instituts scientifiques au-delà des frontières et des pays. Et tout cela constitue un très bon argument en faveur de la promotion de projets scientifiques aussi uniques.
L’étude de FAC a débuté en 2014 avec la participation de 1 300 experts. La plupart des différents scénarios envisagés prévoient la construction d’un tunnel souterrain de 100 km de diamètre, à côté du tunnel LHC existant. Le coût de cette partie du projet, en plus de l’infrastructure de surface nécessaire, serait, selon le CERN, d’environ 5 milliards d’euros.
A ce poste s’ajouterait la construction, dans le même tunnel, d’une machine de 4 autres.milliards d’euros qui seraient capables de produire des collisions entre électrons et positrons (son équivalent antimatière) dans une gamme d’énergie jamais atteinte auparavant.
Curieusement, dans cette phase initiale, la puissance du nouvel accélérateur serait encore inférieure à celle du LHC, même si elle serait encore la plus importante obtenue dans les collisions électron-positon. Plus tard, comme décrit dans le rapport, la construction d’un deuxième accélérateur, un collisionneur de hadrons (protons contre protons, comme le LHC actuel), dans le même tunnel de 100 kilomètres que le FCC, coûterait encore 15 kilomètres.000 millions d’euros et pourrait atteindre des énergies allant jusqu’à 100 Tev (téraélectrons volts), bien au-delà des 13 Tev que le LHC actuel a pu atteindre.
Une recherche de particules supermassives
Ces collisions permettraient aux chercheurs d’étudier en profondeur des particules connues, comme le boson de Higgs, avec bien plus de précision que dans un collisionneur de protons contre des protons, comme le LHC. En effet, et malgré le fait qu’avec la découverte des Higgs en 2012, le Modèle Standard de Physique des Particules (la théorie qui contemple toutes les composantes de la matière et les quatre forces qui les gouvernent) a été complété, la vérité est que des questions importantes restent à résoudre. Pourquoi la gravité est-elle si faible à l’échelle subatomique par rapport aux autres forces de la nature, d’où vient la masse des neutrinos, où est toute l’antimatière que devrait avoir l’Univers, quelle est la vraie nature de ce que nous appelons matière noire et énergie ? La plupart des physiciens s’accordent à dire qu’une machine capable de fonctionner à des énergies beaucoup plus élevées que les énergies actuelles pourrait révéler toutes ces nouvelles particules que le LHC n’a pas réussi à mettre en lumière.
Machines prêtes pour 2040 ou 2050
Le nouveau programme de recherche pourrait démarrer vers 2040, après les améliorations envisagées pour le LHC lui-même. Cependant, l’option la plus probable serait de construire d’abord la machine électron-positon (la FCC) et de s’attaquer au deuxième collisionneur (le collisionneur de protons) plus tard, à la fin des années 2050.
Malgré l’enthousiasme général, il est vrai que tous ne sont pas entièrement convaincus que ce « super collisionneur » constitue un bon investissement. Il n’y a aucune raison de penser qu’il puisse y avoir une nouvelle Physique précisément dans la gamme d’énergies qu’un collisionneur de ce type pourrait atteindre », assure par exemple Sabine Hossenfelder, physique théorique de l’Institut des hautes études de Francfort, en Allemagne. « Selon M. Hossenfelder, les sommes énormes qui seront consacrées au projet de FAC pourraient être consacrées à d’autres types d’installations. Par exemple, en plaçant un radiotélescope sur la face cachée de la Lune, ou un détecteur d’ondes gravitationnelles en orbite. Les deux installations, selon la physique, seraient beaucoup plus sûres.
Les options rejetées
Depuis longtemps, les physiciens avaient prévu de construire, comme successeur du LHC, un grand collisionneur linéaire, appelé ILC (International Linear Collider), qui serait également capable de heurter électrons et positrons. Mais le fait que, depuis 2012, le LHC n’ait pas été en mesure de trouver quoi que ce soit de nouveau a provoqué une baisse substantielle de l’intérêt pour un collisionneur linéaire. La raison en est que l’ILC n’atteindrait des énergies suffisantes que pour étudier les bosons de Higgs, mais pas pour découvrir de nouvelles particules qui pourraient se manifester à des énergies de collision plus élevées, comme ce serait le cas avec le nouveau collisionneur présenté par le CERN.
Chine, cachant
Comme décide l’Europe, la Chine a déjà mis sur la table ses propres plans. Il s’agit d’un accélérateur similaire à celui proposé par le CERN (appelé Circular Electron-Positron Collider, CEPC) et qui pourrait devenir opérationnel dans les années 2030, dix ans avant la machine européenne. Selon Wang Yifang, directeur de l’Institut chinois de physique des hautes énergies et chef de projet, les experts du géant asiatique sont parvenus aux mêmes conclusions que les Européens, en termes d’objectifs scientifiques et de faisabilité technique.
Quoi qu’il en soit, il n’existe aujourd’hui aucune garantie complète que la FCC sera jamais construite. Le désenchantement laissé par le LHC, qui, en dehors du Higgs, n’a pas réussi à révéler les signes de l’existence de nouvelles particules, comme l’attendaient les physiciens, a rendu très difficile de convaincre les parties intéressées de soutenir et financer un projet aussi coûteux. Sinon, l’Europe pourrait perdre son leadership dans un domaine, celui de la physique des particules, dans lequel elle a toujours été à l’avant-garde.
