Les physiciens du CERN ont dévoilé le plan d’un énorme collisionneur de particules de 100 km de circonférence qui serait utilisé pour étudier le boson de Higgs avec une précision sans précédent et pour rechercher une nouvelle physique. Aujourd’hui, le rapport de conception a été publié pour le futur collisionneur circulaire (FCC) – un collisionneur de particules souterrain qui serait relié au Grand collisionneur de hadrons (LHC) existant près de Genève.
Depuis que le LHC a été mis en service en 2008, le collisionneur de particules de 27 km de circonférence a écrasé des protons ensemble à des énergies allant jusqu’à 13 TeV dans la chasse à de nouvelles particules. En 2012, les physiciens ont annoncé avoir découvert le boson de Higgs d’une masse de 125 GeV. François Englert et Peter Higgs ont alors reçu le prix Nobel de physique 2013 pour leurs travaux de prédiction théorique sur cette particule. Cependant, depuis lors, aucune particule au-delà du modèle standard, comme des partenaires supersymétriques, n’a été trouvée.
Alors que le LHC fonctionnera encore pendant quelques décennies avant d’être définitivement éteint, depuis plus de trois décennies, les physiciens effectuent des travaux de R&D sur des collisionneurs linéaires qui pourraient un jour être le successeur du LHC. L’un des principaux efforts de conception concerne le collisionneur linéaire international (ILC), qui accélèrerait les électrons et les positrons à l’aide de cavités supraconductrices. Les électrons et les positrons étant des particules fondamentales, leurs collisions sont plus propres que la collision proton-proton du LHC, et sont donc idéales pour étudier les particules dans les moindres détails.
Le Japon est le seul pays qui a manifesté son intérêt pour accueillir l’ILC, mais le gouvernement japonais a traîné les pieds pour décider s’il allait accueillir la machine. Cela a obligé les physiciens à réduire récemment leur conception de l’ILC de 500 GeV à 250 GeV, le gouvernement japonais devant donner une décision finale pour accueillir l’ILC en mars.
Pour autant, les physiciens des particules voient toujours des avantages à conserver les grands collisionneurs circulaires, notamment parce qu’ils ont une grande expérience de leur construction. De 1989 à 2000, par exemple, le CERN a exploité le grand collisionneur électron-positron (LEP), qui se trouvait dans le même tunnel que celui qui abrite aujourd’hui le LHC, et a effectué des mesures précises des bosons Z et W. Et compte tenu de la masse relativement faible du Higgs, un collisionneur circulaire serait en mesure de produire des luminosités plus élevées sans subir d’énormes pertes dues au rayonnement synchrotron, qui affecterait un collisionneur fonctionnant à des énergies plus élevées de 500 GeV.
Etudes de précision
Le projet FCC a été lancé en 2013 par la communauté européenne de la physique des particules, avec une réunion tenue l’année suivante à Genève pour commencer à travailler sur le rapport. Le nouveau rapport de conception en quatre volumes étudie la faisabilité de la construction d’un collisionneur circulaire de 100 km et examine la physique qu’une telle machine potentielle pourrait réaliser. Il prévoit tout d’abord la construction d’un tunnel souterrain de 100 km qui abriterait un collisionneur électron-positron (FCC-ee). Cette machine serait composée de 80 km d’aimants de flexion pour accélérer le faisceau ainsi que d’aimants quadripolaires qui concentrent le faisceau avant de les faire entrer en collision en deux points de l’anneau.
Le rapport de conception du FCC est une réalisation 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 la société
Fabiola Gianotti
Le FCC-ee – dont le coût est estimé à environ 9 milliards de dollars, dont 5 milliards seraient utilisés pour construire le tunnel – fonctionnerait à quatre énergies sur une période de 15 ans. Le collisionneur commencerait à 91 GeV, produisant environ 1013 bosons Z sur quatre ans avant de fonctionner à 160 GeV pour produire 108 particules W+ et W- sur une période de deux ans. Bien que les particules W et Z aient déjà été mesurées par le collisionneur LEP, on estime que la machine FCC-ee améliorerait ces mesures d’un ordre de grandeur.
En fonctionnant ensuite à 240 GeV pendant trois ans, le FCC-ee se concentrerait sur la création d’un million de particules de Higgs. Cela permettrait aux physiciens d’étudier les propriétés du boson de Higgs avec une précision supérieure d’un ordre de grandeur à ce qui est possible aujourd’hui avec le LHC. Enfin, le collisionneur serait ensuite arrêté pendant un an afin de le préparer à fonctionner à environ 360 GeV pour produire un million de paires de top et d’anti-top en cinq ans. Des mesures plus précises de ces particules pourraient indiquer des déviations par rapport aux prédictions du modèle standard, ce qui pourrait mettre en évidence une nouvelle physique.
Une fois le programme de physique pour le FCC-ee terminé, le même tunnel pourrait alors être utilisé pour abriter un collisionneur proton-proton (FCC-hh), de la même manière que le LEP a fait place au LHC. « Le FCC pourrait être une réponse à l’action du LEP et du LHC », explique le théoricien John Ellis du Kings College de Londres. « Un collisionneur proton-proton offrirait la meilleure chance de découvrir de nouvelles particules ».
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Le FCC-hh utiliserait le LHC et ses accélérateurs pré-injecteurs pour alimenter le collisionneur qui pourrait atteindre une énergie de pointe de 100 TeV – sept fois supérieure à celle du LHC. Pourtant, pour produire de telles énergies de collision, il faudrait développer de nouveaux aimants fonctionnant à des champs magnétiques plus élevés pour diriger le faisceau autour du collisionneur. Le LHC fonctionne actuellement avec des aimants supraconducteurs de 8 T fabriqués à partir d’alliages de niobium-titane (NbTi). Les aimants supraconducteurs sont utilisés car ils permettent de faire circuler des courants élevés sans dissiper l’énergie due à la résistance électrique. Cependant, le FCC-hh, avec des faisceaux de 50 GeV, nécessiterait plutôt des aimants de 16 T en niobium-étain (Nb3Sn) supraconducteur.
En ce moment, le LHC subit un arrêt de deux ans pour améliorer sa luminosité – une mesure du taux de collisions de particules – d’un facteur 10. Baptisé LHC à haute luminosité (HL-LHC), il vise à mettre ce matériau à l’épreuve en utilisant des aimants dipolaires supraconducteurs Nb3Sn de 11 T. Pourtant, davantage de R&D doit être effectuée avant qu’ils puissent être utilisés à 16 T. Compte tenu du besoin de R&D ainsi que des coûts de construction élevés des aimants, le coût estimé du FCC-hh serait d’environ 15 milliards de dollars, contre environ 13 milliards de dollars pour le coût total du LHC.
Mener cette entreprise en tant que collaboration mondiale est vraiment important. Cela ouvre la possibilité de contributions en nature substantielles
Michael Benedikt
Le FCC-hh aurait une luminosité intégrée totale d’environ 15-20 ab-1 – un facteur de 5-10 de plus que celle produite au HL-LHC – et correspondant à 1010 bosons de Higgs produits. Il serait également utilisé pour rechercher de nouvelles particules de masse supérieure à celle du LHC, ainsi que pour découvrir ou exclure l’existence de particules thermiques de matière noire, les WIMP. Comme le LHC, le FCC-hh pourrait également être utilisé comme collisionneur d’ions lourds, en faisant s’entrechoquer des ions de plomb à 39 TeV pour étudier des effets tels que le plasma quark-gluon. On estime que le collisionneur serait opérationnel pendant au moins 25 ans pour « fournir un outil de recherche jusqu’à la fin du 21e siècle ».
« Le rapport de conception du FCC est une réalisation 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 la société », déclare Fabiola Gianotti, directrice générale du CERN. « Tout en présentant de nouveaux défis de taille, le FCC bénéficierait grandement de l’expertise, du complexe d’accélérateurs et des infrastructures du CERN, qui ont été développés pendant plus d’un demi-siècle. »
Show me the money
Compte tenu des coûts énormes de la construction du FCC, il aurait besoin d’un large soutien de la communauté, et c’est pourquoi les responsables du CERN ont été occupés à construire une collaboration ces dernières années, qui comprend maintenant 135 institutions dans 34 pays. « Il est très important que cette entreprise soit gérée comme une collaboration mondiale », déclare Michael Benedikt, physicien au CERN, qui dirige le projet FCC. « Cela ouvre la possibilité de contributions en nature substantielles de la part des parties qui sont expertes dans la construction des parties d’une telle machine. »
Même si les physiciens obtiennent un soutien financier pour construire le FCC, se pose la question de savoir quand commencer à construire la machine. Une option consiste à commencer par doubler l’énergie du LHC pour atteindre environ 30 TeV avec une mise à niveau à haute énergie (HE-LHC). Cependant, Benedikt pense qu’il est possible d’éviter le HE-LHC et de passer directement au FCC. Dans ce cas, le programme HL-LHC se déroulerait en parallèle avec la construction du tunnel FCC avant de s’arrêter vers 2037. Le FCC-ee commencerait alors à fonctionner vers 2040.
Construction du prochain collisionneur
Mais le CERN n’est pas le seul à développer de nouveaux modèles de collisionneurs circulaires. En novembre, des physiciens chinois ont dévoilé le dessin conceptuel de leur propre tunnel de 100 km, qui abriterait d’abord une machine à électrons-positrons avant d’accueillir un collisionneur proton-proton fonctionnant à 100 TeV. Bien que la construction du collisionneur chinois puisse commencer plus tôt que celle du FCC, Benedikt affirme qu’il existe de nombreuses similitudes entre les deux conceptions. « C’est une bonne chose », ajoute Benedikt. « L’effort considérable de la Chine confirme qu’il s’agit d’une option valable et qu’il existe un large intérêt pour une telle machine. »
Analyse : On recommence ?
C’est une question assez simple, mais la réponse s’avère plutôt délicate : un collisionneur circulaire ou linéaire est-il la meilleure voie à suivre pour effectuer des mesures précises sur le boson de Higgs ?
Bien que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN produise une quantité copieuse de bosons de Higgs depuis la découverte de la particule en 2012, les collisions proton-proton ne sont pas le meilleur moyen d’étudier les propriétés précises d’une particule. En effet, les protons ne sont pas des particules élémentaires et leurs collisions produisent des débris qui affectent la précision des mesures.
Ce n’est cependant pas le cas lorsqu’on écrase ensemble des électrons avec des positrons et c’est pourquoi les physiciens des particules veulent construire une telle machine pour étudier le boson de Higgs et essayer de repérer toutes les petites déviations qui pourraient donner des indices de la physique au-delà du modèle standard.
Depuis des années, les physiciens conçoivent des collisionneurs linéaires qui fonctionneraient à l’échelle du TeV. L’une de ces conceptions de pointe est le Collier linéaire international (ILC), que le Japon a montré son intérêt à accueillir, bien que dans une incarnation moins chère fonctionnant à 250 GeV.
En raison de la nécessité de surmonter les pertes d’énergie du rayonnement synchrotron lorsque les électrons sont accélérés autour de l’anneau, les collisionneurs linéaires offrent une luminosité plus élevée – une mesure du taux de collisions de particules – par rapport à leurs homologues circulaires pour les énergies de collision supérieures à 400 GeV. Pourtant, à des énergies inférieures à ce seuil, les collisionneurs circulaires ont de meilleures luminosités que les collisionneurs linéaires – et peuvent également accueillir plusieurs détecteurs autour de l’anneau.
Si la masse du boson de Higgs était d’environ 500 GeV ou plus, la plupart des gens seraient d’accord pour dire qu’un collisionneur linéaire offre la meilleure solution. Mais la masse du boson de Higgs étant de 125 GeV, une balle courbe de luminosité assez importante a été lancée dans les procédures. Les collisionneurs circulaires sont donc revenus sur le devant de la scène et, depuis cinq ans, les physiciens conçoivent des alternatives possibles. Cela a abouti à deux propositions récentes – le collisionneur circulaire futur (voir le texte principal) et le collisionneur circulaire électron-positron de la Chine, dont la conception a été publiée en novembre dernier.
Si les conceptions circulaires doivent supporter le coût de la construction d’un énorme tunnel souterrain, elles compensent largement en termes de polyvalence et le fait que les physiciens ont des décennies d’expérience dans leur construction. Par exemple, le même tunnel de 100 km pourrait également être utilisé pour une machine proton-proton fonctionnant à 100 TeV qui serait utilisée pour rechercher de nouvelles particules.
La technologie pour un ILC et un collisionneur électron-positron de 100 km est prête, mais étant donné les prix exorbitants pour les deux, toutes les conceptions nécessiteraient une grande collaboration internationale. En effet, il est largement entendu que le Japon ne proposerait de financer que la moitié du coût de l’ILC de 7,5 milliards de dollars.
Si une seule machine est construite, comme cela semble probable, la question est de savoir laquelle ? Les lignes de bataille ont été tracées.
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