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À quoi ressemblera le futur LHC ?

Moins de deux ans après la découverte du fameux boson de Higgs au LHC (grand collisionneur de hadrons) du Cern, la communauté mondiale des physiciens planche déjà sur l’étape suivante : un super LHC, baptisé FCC, dont les caractéristiques précises restent à définir, ainsi que les objectifs scientifiques.

Le détecteur Atlas, installé sur le LHC, a permis de révéler l'existence du boson de Higgs. Il est en cours d'amélioration pour répondre aux standards des futurs collisionneurs à très haute énergie.© Atlas Experiment/Cern, 2013

Ce n’est certainement pas un hasard : c’est à l’université de Genève, à quelques kilomètres à peine du vaste tunnel circulaire du LHC où ont été mises en évidence les traces du boson de Higgs en 2012 et 2013, que près de 200 physiciens venus du monde entier se sont réunis les 12, 13 et 14 février derniers pour évoquer la machine qui prendra la suite – dans quelques décennies – de l’accélérateur actuel. Pourquoi réfléchir si tôt à l’ère post-LHC, alors que ce dernier n’est pas encore au maximum de son potentiel et doit encore rendre de bons et loyaux services pendant au moins deux décennies, jusqu’à l’horizon 2035 ? « Car vingt ans au minimum séparent les premières études sur une machine de taille aussi ambitieuse, et sa finalisation, répond le physicien Laurent Vacavant, responsable au Centre de physique des particules de Marseille (AMU-CNRS) de l’expérience Atlas qui a contribué à la découverte du boson de Higgs, et qui assistait à la réunion genevoise. Ainsi, le LHC a été conçu dès le début des années 1980, pour une mise en service en 2008 ». Alors, à quoi ressemblera le super accélérateur de particules qui devrait voir le jour durant la décennie 2030, quels seront ses objectifs scientifiques, et où sera-t-il implanté ? Sur ces trois points, les avis divergent, même si tous les physiciens sont convaincus de l’intérêt, sur le principe, d’un tel équipement.

80 à 100 km de circonférence

Du côté de l'Organisation européenne pour la physique nucléaire (Cern), qui organisait le récent séminaire genevois, on propose un accélérateur construit selon le même principe que le LHC : un tunnel circulaire dans lequel filent, à une vitesse proche de celle de la lumière, des faisceaux de particules dirigés par de puissants électroaimants... mais de taille cette fois bien plus grande. Ainsi, ce super LHC baptisé pour l’instant FCC (futur collisionneur circulaire) aurait une circonférence de 80 à 100 km, contre 27 km « à peine » pour le tunnel actuel, selon un schéma révélé le 6 février par le Cern.

Le projet d'accélérateur circulaire du Cern, le FCC (futur collisionneur circulaire), laisse deux options ouvertes, avec un tunnel d'une circonférence de 80 km ou de 100 km.© Cern, 2014

Principal intérêt de cette augmentation significative : pouvoir intégrer, sur le trajet des faisceaux circulant dans le tunnel, un nombre très élevé de « cavités accélératrices », ces zones de la machine dans lesquelles les particules sont accélérées au moyen de champs électriques, ce qui leur confère vitesse et énergie... Ainsi, le FCC pourrait atteindre une énergie de l’ordre de 100 TeV (téraélectronvolts), contre 8 TeV pour le LHC dans sa configuration actuelle, et bientôt 14 TeV une fois amélioré. Une énergie telle qu’elle générerait, lors des collisions de protons, des particules similaires à celles créées lors des premiers instants du Big Bang, de masse très importante... L’investissement envisagé, encore très hypothétique, est à la démesure du projet : de l’ordre de 20 milliards d’euros.

Du LHC au HL-LHC

Vue du LHC © Cern

Parallèlement aux réflexions en cours sur les accélérateurs de prochaine génération, le LHC va faire l’objet de plusieurs améliorations, destinées à le porter à son maximum d’efficacité. C’est même la priorité n° 1 du Cern. Ainsi, depuis septembre 2013, de nombreux composants sont en cours de maintenance et de consolidation, suite à l’incident de septembre 2008 qui avait endommagé des électroaimants, limitant jusqu’à présent l’énergie du LHC à 8 TeV. Il s’agit essentiellement d’augmenter le courant électrique circulant dans les bobines des électroaimants. Dès janvier 2015, c’est avec une énergie de 14 TeV que le LHC devrait donc reprendre du service. Au-delà, quatre autres phases d’arrêt (LS, ou Long Shutdown) sont déjà programmées, dans les années 2019, 2029 et 2033. Objectif, améliorer au moins d’un facteur 10 la « luminosité » du LHC, rebaptisé HL-LHC (High-Luminosity LHC), en augmentant le nombre de « paquets » de particules qui circulent dans le tunnel (2808 jusqu’à présent) et le nombre de protons dans chaque paquet (1011 actuellement)... afin de générer un nombre de collisions en très forte hausse. Parallèlement, la résolution des détecteurs comme Atlas et CMS, placés aux points de collision des particules, devra être améliorée. Cela, afin de bénéficier de la luminosité accrue, qui générera aussi un bruit de fond plus important... De plus, ils devront être plus résistants pour supporter le flux de particules intense qui les traversera.

Objectifs scientifiques en devenir

Quant aux objectifs scientifiques de la machine à venir, leurs contours sont encore flous car ils dépendent fortement de ce qui se découvrira, ou pas, pendant la durée de vie du LHC. « Nous savons très peu de choses sur le boson de Higgs, que nous devons encore étudier en détail, et nous sommes en quête de la matière noire, qui expliquerait 25 % de la masse de l’Univers, commente Sergio Bertolucci, directeur de la recherche et de l’informatique au Cern. Seuls les prochains résultats du LHC nous indiqueront les pistes de recherches à suivre, et l’accélérateur le plus adapté pour répondre aux nouvelles questions posées ». Il s’agira par exemple de caractériser plus finement les contours de la particule mise en évidence en 2012 et 2013 : véritable boson de Higgs prévu par le modèle standard, ou l’un des cinq bosons hypothétiques du modèle situé au-delà du modèle standard, dit « supersymétrique » ? Il faudra aussi mieux comprendre comment le boson de Higgs interagit avec les autres particules, leur conférant ainsi leur masse...

Pour le physicien Mossadek Talby, également membre de l’expérience Atlas au CPPM de Marseille, « si le LHC découvre des particules entièrement nouvelles, au-delà du modèle standard, le futur FCC pourrait plutôt s’orienter vers une machine dite de précision, avec des niveaux d’énergie modérés, mais capables d’analyser et caractériser finement ces particules nouvelles ».

Un tel accélérateur, dit « leptonique », reposerait sur la collision d’électrons et positrons donnant lieu à des interactions moins complexes, et plus faciles à étudier que celles entre protons à l’œuvre dans le LHC, dit « hadronique ». Mais si ce dernier reste au contraire muet sur toute particule au-delà du modèle standard, comme il l’a été jusqu’à présent, il faudra alors passer au niveau d’énergie nettement supérieur. Le super LHC de 100 TeV se révélerait alors indispensable pour espérer forcer l’accès vers la masse manquante de l’Univers, les particules « supersymétriques », voire l’énergie sombre elle-même, sorte de Graal insaisissable de la physique prédit par les théoriciens, mais dont on ignore tout. 

Face à ce dilemme, les physiciens privilégient, pour l’heure, une solution mixte : « On se dirige vers un FCC “à deux vitesses”, analyse Laurent Vacavant, avec dans un premier temps un accélérateur d’électrons-positrons, auquel succèderait au bout de quelques années un collisionneur de protons. C’est ce qui s’est produit dans le cas du LHC, qui est à l’origine un collisionneur électrons-positrons à moins de 1 TeV appelé LEP, transformé ensuite en accélérateur de protons ». Ces deux machines successives ont déjà un nom de code : FCC-e+e- pour la version basse-énergie, FCC-hh pour le super LHC...

Un enjeu international

Seule certitude, le FCC revêt pour le Cern une importance cruciale, quel que soit son niveau d’énergie final. Pour l’organisation européenne, il s’agit en effet d’affirmer son rôle durant la deuxième moitié du XXe siècle, au-delà du LHC. Elle a donc mis tous les arguments dans la balance, lors de la réunion genevoise, pour attirer le futur équipement. « Outre un personnel scientifique et technique très qualifié, nous avons une infrastructure de recherche opérationnelle. En particulier, nous disposons déjà des accélérateurs de petite taille équipant le LHC, qui pourront lancer le faisceau d’un futur accélérateur géant », notait, dans le quotidien suisse Le Temps, la veille de la conférence, le directeur général du Cern, Rolf Heuer. « Clairement, le site franco-suisse part avec une longueur d’avance », estime Laurent Vacavant...

Car d’autres nations sont sur les rangs pour héberger le futur équipement, comme la Chine, soucieuse de confirmer son rang de grande puissance scientifique... Et dont la vigoureuse santé économique pourrait emporter la décision. Ainsi, le directeur général de l’Institut de physique des hautes énergies (IHEP) de Pékin, Yifang Wang, était à Genève pour défendre le projet d’accélérateur circulaire à proximité de Pékin, d’une circonférence de 50 à 70 km. Rappelant, au passage, que la Chine a une tradition dans le domaine des collisionneurs leptoniques, et qu’un tel accélérateur pourrait lui aussi évoluer, à terme, vers un collisionneur hadronique capable d’atteindre, à l’horizon 2035, des énergies de 50 à 70 TeV...

Pour sa part, le Japon parie sur un projet radicalement différent, baptisé International Linear Collider (ILC), implanté dans le nord de l'archipel nippon et d'un coût prévisionnel de 6 milliards d'euros. Le principe : accélérer deux faisceaux d’électrons-positrons dans des tunnels linéaires de 15 km de long se faisant face, avec un point d’impact situé au centre.

Le détecteur linéaire ILC (International Linear Collider) doit être construit dans le nord du Japon durant la décennie 2020. Il permettrait d'accélérer les particules dans deux tunnels rectilignes de 15 km de long, le point d'impact étant situé à la jonction des deux faisceaux. © Rey Hori/KEK

L’ILC est-il vraiment un concurrent de FCC ? Pas sûr... Dans la partie de poker qui se joue sur la scène mondiale, l’Europe et le Cern pourraient soutenir le projet japonais d’accélérateur linéaire, nettement plus avancé en terme de design et de conception... Abandonnant, au passage, leur propre projet similaire, baptisé CLIC (Compact Linear Collider Project). Histoire de remporter, dans un second temps, la mise royale du FCC. Le tout sous le regard attentif des États-Unis, partenaires incontournables, mais qui sont échaudés par l’échec, dans les années 1990, de leur propre super collisionneur appelé SCSC (SuperConducting SuperCollider) : un projet d’accélérateur circulaire de 87 km en plein désert texan, dont plus d’un tiers a été creusé avant d’être abandonné, faute de crédits ! Parions que le futur collisionneur circulaire ne connaîtra pas le même sort, tant la communauté internationale des physiciens semble, cette fois, mobilisée pour cet objectif.

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