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Le futur accélérateur de particules, pour mieux comprendre l'Univers

Montage photo de l'emplacement du futur collisionneur de particules (FCC) du CERN, à côté de l'actuel grand collisionneur de hadrons (LHC), fourni par l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire, le 19 avril 2023 (HANDOUT)
Montage photo de l'emplacement du futur collisionneur de particules (FCC) du CERN, à côté de l'actuel grand collisionneur de hadrons (LHC), fourni par l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire, le 19 avril 2023 (HANDOUT)

Le futur accélérateur de particules du CERN commencera à entrer en service d'ici 2050 et sera pleinement fonctionnel avant la fin du siècle: un rapport publié lundi dévoile l'avenir de ce projet international, crucial pour comprendre un peu mieux l'Univers.

L'enjeu est d'"étudier les propriétés de la matière à l'échelle la plus petite et à la plus haute énergie", a souligné Fabiola Gianotti, directrice générale de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (Conseil européen pour la recherche nucléaire, CERN).

L'actuel accélérateur du CERN, le grand collisionneur de hadrons (LHC), fait se fracasser des particules lancées les unes contre les autres dans un anneau, à des vitesses phénoménales. Ces collisions éclairent leurs propriétés et ont permis d'identifier en 2012 le boson de Higgs considéré comme la clef de voûte de la structure fondamentale de la matière.

Le FCC (Futur collisionneur circulaire) vise une plus grande énergie de collision. Avec pour enjeu d'expliquer ce qui compose 95% de l'énergie et de la matière dans l'Univers observable, l'abondance de matière par rapport à l'antimatière, ou encore la masse du neutrino.

Le projet FCC s'articule en deux temps: un collisionneur électron-positron (des particules légères) pour approfondir notamment la physique du boson de Higgs en 2048, puis l'entrée en service du collisionneur proton-proton en 2070, dédié aux particules lourdes. Avec une cible d'énergie record de 100 milliards de milliards d'électronvolts (TEV), là où l'actuel LHC atteint 13,6 TeV.

Ce sera "la seule machine permettant de faire un grand bond dans l'étude de la matière", relève Fabiola Gianotti.

Après huit ans d'étude, la configuration choisie prévoit un anneau de 90,7 km de circonférence, plus de trois fois celui de l'actuel LHC. Connecté à ce dernier, il s'étendra dans le sous-sol pour l'essentiel en France, mais aussi en Suisse. Avec huit sites de surfaces, dont quatre en France accueilleront les équipements d'expériences, placés le long de l'accélérateur.

Le démarrage des travaux est prévu pour 2033, avec un tunnel de 5,5 mètres de diamètre, passant à trente mètres sous le lit du Rhône, au moins cent mètres sous le lac Léman, et jusqu'à plus de 500 mètres sous le plateau de la Borne, dans les Préalpes.

- De nouvelles particules -

Puis viendra l'installation des équipements à partir de 2038 et notamment des deux principales expériences, avec des cavernes d'une hauteur atteignant 66 mètres pour accueillir les détecteurs de particules.

Le CERN va poursuivre son travail avec les municipalités concernées sur le parcours, dont sept sont en France. Avec des études d'impact sur l'agriculture et l'environnement, physique et humain.

En 2028, les Etats membres (22 pays européens et Israël) devront décider du lancement, avec un budget estimé à 15 milliards de franc suisses (16 milliards euros) pour le collisionneur électron-positron, selon Mme Gianotti.

La collaboration sur le FCC implique actuellement une pléiades d'instituts de recherche de plus de trente pays, dont la plupart travaillent déjà au LHC.

Le LHC est à la pointe pour tester les prévisions du modèle standard de la physique des particules. Ce modèle est remis en question depuis quelques années par des mesures des propriétés des particules qui s'écartent de celles prédites par la théorie.

Ce qui pourrait trahir l'existence de nouvelles particules et d'interactions que les machines actuelles n'arrivent pas à détecter.

Le collisionneur électron-positron doit permettre d'affiner les mesures qui dévieraient de celles attendues avec la théorie. Et d'ouvrir ainsi un champ d'exploration au collisionneur proton-proton.

Le rapport de lundi rappelle que le succès du projet dépendra largement du développement de nouveaux outils informatiques et de technologies améliorant les systèmes d'accélération de particules. Des avancées qui devraient bénéficier directement à la société, selon les responsables du CERN, via les progrès dans les aimants supraconducteurs ou la cryogénie.

pcl/fmp/gvy