Genève. La collaboration pour un futur collisionneur circulaire (FCC) a soumis aujourd’hui pour publication son rapport préliminaire de conception (CDR), divisé en quatre volumes et présentant les différentes options possibles pour un futur grand collisionneur circulaire. Le rapport expose les remarquables perspectives pour la physique offertes par des machines d’une énergie et d’une intensité jamais atteintes jusqu'ici, et détaille les défis techniques, les coûts et les calendriers de réalisation d’un tel projet.

Au cours des deux prochaines années, la communauté de la physique des particules mettra à jour la stratégie européenne pour la physique des particules, définissant les orientations de la discipline pour la période qui succédera à celle du Grand collisionneur de hadrons (LHC). La feuille de route doit, en particulier, mener à des choix cruciaux en matière de recherche et de développement dans les prochaines années, en vue, à terme, de construire l'accélérateur de particules qui succédera au LHC et qui sera en mesure d'élargir considérablement notre connaissance de la matière et de l'Univers. Le rapport préliminaire de conception contribue à la définition de la stratégie européenne. La possibilité d'un futur collisionneur circulaire sera examinée au cours du processus de mise à jour de la stratégie, conjointement avec l'autre option de collisionneur post-LHC au CERN¹, à savoir le collisionneur linéaire CLIC.

L’étude FCC, lancée en 2014, fait directement suite à la précédente mise à jour de la stratégie européenne, approuvée en mai 2013, qui recommandait la réalisation d'études de conception et de faisabilité afin que l’Europe puisse « être en mesure de proposer un ambitieux projet d’accélérateur post-LHC au CERN d’ici à la prochaine mise à jour de la stratégie ». Le Futur collisionneur circulaire réaliserait des collisions électron-positon, proton-proton et ion-ion à des énergies et des intensités sans précédent, avec la possibilité de collisions électron-proton et électron-ion.

« Le rapport préliminaire de conception du FCC est le résultat d’un travail remarquable. Il montre l'énorme potentiel du FCC pour améliorer notre connaissance de la physique fondamentale et pour faire progresser de nombreuses technologies ayant un large impact sur notre société, déclare Fabiola Gianotti, directrice générale du CERN. Le FCC, qui suppose de formidables nouveaux défis, tirerait grandement avantage des compétences, du complexe d'accélérateurs et des infrastructures du CERN, qui ont été développés durant plus d'un demi-siècle. »

La découverte du boson de Higgs au LHC a ouvert une nouvelle voie à la recherche, dans la mesure où cette particule pourrait représenter une passerelle vers une nouvelle physique. La réalisation d'études détaillées de ses propriétés est par conséquent une priorité pour tout futur accélérateur destiné à la physique des hautes énergies. Or les différentes options envisagées par l'étude FCC offrent des possibilités exceptionnelles à cet égard. Par ailleurs, pour répondre à des questions telles que la nature de la matière noire ou la prépondérance de la matière sur l'antimatière, une physique au-delà du Modèle standard nous est nécessaire. Dans cette quête d’une nouvelle physique, essentielle pour notre compréhension de l’Univers, l’énorme potentiel de découverte que représente un futur collisionneur circulaire jouera un rôle crucial.

L'étude de conception du FCC a été un travail considérable, que seule une vaste collaboration internationale a permis de réaliser. Sur cinq années, et avec le vigoureux soutien de la Commission européenne dans le cadre du programme Horizon 2020, la collaboration FCC a mobilisé plus de 1 300 contributeurs de 150 universités, instituts de recherche et partenaires industriels, qui ont participé activement aux travaux de conception et de recherche et développement de nouvelles technologies afin de préparer le déploiement durable et l'exploitation efficace d'un possible futur collisionneur circulaire.

« L'objectif ultime de l’étude FCC est de proposer un accélérateur de protons supraconducteur prenant la forme d'un anneau de 100 km de circonférence et capable de fournir une énergie allant jusqu'à 100 TeV, soit une puissance environ dix fois supérieure à celle du LHC, explique Frédérick Bordry, directeur des accélérateurs et de la technologie au CERN. Le calendrier envisagé pour le FCC prévoit de commencer avec une machine électron-positon – de même que le LEP avait précédé le LHC. Ce projet permettrait de mener un programme riche, qui mobiliserait la communauté de la physique des particules durant tout le XXIe siècle. »

Le collisionneur de protons FCC, qui serait constitué d’aimants supraconducteurs à champ élevé de nouvelle génération, offrirait une vaste gamme de nouvelles possibilités en matière de physique. Atteindre des énergies de 100 TeV, voire plus élevées, 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. Cela nous permettrait également d'accéder à des échelles d'énergie sans précédent et d'y chercher de nouvelles particules massives, ce qui ouvrirait de multiples perspectives pour de grandes découvertes. De plus, cette machine pourrait aussi faire entrer en collision des ions lourds ; avec un riche programme en physique des ions lourds, nous pourrions étudier l'état où se trouvait la matière dans l'Univers primordial.

« Les collisionneurs de protons ont été, pour des générations de scientifiques, un outil de prédilection pour l’exploration d’une nouvelle physique aux échelles les plus petites. Une grande machine à protons représenterait un bond en avant dans cette démarche, et il permettrait d’étendre de façon décisive le programme de physique au-delà des résultats produits par le LHC et par un éventuel collisionneur électron-positon », estime Eckhard Elsen, directeur de la recherche et de l’informatique au CERN.

Une machine électron-positon d'une énergie de 90 à 365 GeV et présentant une luminosité élevée pourrait constituer une première étape. Un tel collisionneur serait une « usine à Higgs » très puissante, ce qui rendrait possible la détection de processus rares ou nouveaux, et la mesure de particules connues à des niveaux de précision sans précédent. Avec ces mesures précises, nous disposerions d’une grande sensibilité pour détecter de possibles écarts minuscules par rapport aux prévisions du Modèle standard, ce qui constituerait un signe d'une nouvelle physique.

Le coût d'un grand collisionneur circulaire électron-positon serait de l'ordre de 9 milliards d'euros, dont 5 milliards d'euros qui seraient consacrés aux travaux de génie civil nécessaires à l'excavation d'un tunnel de 100 km. Ce collisionneur servirait la communauté de physique du monde entier pendant 15 à 20 ans. Le programme de physique pourrait commencer d'ici à 2040, au terme de l'exploitation du LHC à haute luminosité. Le coût estimé pour une machine supraconductrice qui occuperait ensuite le même tunnel et ferait entrer en collision des protons serait d'environ 15 milliards d'euros. Cette machine pourrait commencer à fonctionner à la fin des années 2050.

Les instruments complexes nécessaires à la physique des particules inspirent de nouveaux concepts, des innovations et des technologies d'avant-garde, qui profitent à d'autres disciplines de recherche et peuvent déboucher sur de nombreuses applications, lesquelles ont un impact considérable sur l'économie de la connaissance et la société. Un futur collisionneur circulaire offrirait à l'industrie des perspectives extraordinaires, en aidant à repousser encore plus loin les frontières de la technologie. Il ouvrirait également des perspectives de formation exceptionnelles pour une nouvelle génération de scientifiques et d'ingénieurs.

Footnote(s)

1. Le CERN, Organisation européenne pour la Recherche nucléaire, est l’un des plus éminents laboratoires de recherche en physique des particules du monde. Située de part et d’autre de la frontière franco-suisse, l’Organisation a son siège à Genève. Ses États membres sont les suivants : Allemagne, Autriche, Belgique, Bulgarie, Danemark, Espagne, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Israël, Italie, Norvège, Pays-Bas, Pologne, Portugal, République tchèque, Roumanie, Royaume-Uni, Slovaquie, Suède et Suisse. Chypre, la Serbie et la Slovénie sont États membres associés en phase préalable à l’adhésion. L’Inde, la Lituanie, le Pakistan, la Turquie et l'Ukraine sont États membres associés. Les États-Unis d’Amérique, la Fédération de Russie, le Japon, le JINR, l’UNESCO et l’Union européenne ont actuellement le statut d’observateur.