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Nouvel accélérateur de particules : vers une révolution de la physique ?

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Le projet de futur collisionneur circulaire a été lancé le 15 janvier dernier par le CERN (Conseil européen pour la recherche nucléaire).  Ce remplaçant du LHC est un géant par sa taille et sa puissance et devrait permettre à partir de 2040, d'explorer des champs de la physique impossibles aujourd'hui. 

On connaît désormais les coûts, les options et les calendriers du Futur colisionneur circulaire de 100 km de diamètre qui devra remplacer l'actuel Grand collisionneur de hadrons (LHC) de "seulement" 27 km de diamètre, arrêté pour deux ans depuis la fin 2018. Ce nouvel "anneau souterrain accélérateur de particules" va permettre — comme son prédecesseur le LHC — de faire entrer en collision des particules en reproduisant les conditions présentes dans l'espace profond, mais de différentes natures et avec beaucoup plus d'énergie. L'objectif est à la fois de découvrir de nouvelles particules, mais aussi de valider des théories de physique et de cosmologie comme ce fut le cas lors de l'observation du Boson de Higgs en 2012. 
Vue en coupe (de la moitié) du FCC et du LHC actuel

Plus grand, plus rapide, plus puissant, plus cher

« 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 (10 puissance 12 électron-volt, ndlr), soit une puissance environ dix fois supérieure à celle du LHC, explique Frédérick Bordry, directeur des accélérateurs et de la technologie au CERN. Un tel projet a un coût, 9 milliards d'euros pour le grand collisionneur circulaire électron-positon et nécessite des partenariats internationaux : 57 instituts participent, représentant 22 pays. Le premier programme de physique pourrait débuter en 2040, et pour 15 milliards d'euros de plus, une  machine supraconductrice occupant le même tunnel et faisant entrer en collision des protons pourrait voir le jour en 2050. Le FCC serait alors complet et prêt à offrir ses services pour au moins 20 ans. Les chercheurs et ingénieurs du CERN font la promotion du Futur collisionneur circulaire : 
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Comprendre la "matière noire" et plus si affinités…

Le futur collissionneur est une pièce maîtresse dans la compréhension de l'univers. Les chercheurs voient là un potentiel de découvertes immense, comme le stipule le CERN : "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."


Atteindre des énergies de 100 TeV, voire plus élevées, permettrait de savoir précisément la manière dont une particule de Higgs interagit avec une autre particule de Higgs par exemple, mais aussi, selon le CERN, "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."

Le FCC semble être l'aboutissement de la série d'accélérateurs du CERN depuis 1989 et devrait être l'outil de recherche le plus complet du XXIème siècle. Au point de permettre l'émergence d'une nouvelle physique unificatrice capable d'expliquer l'univers ?

Qu'est-ce qu'un accélérateur ?

Un accélérateur propulse des particules chargées, comme des protons ou des électrons, à des vitesses très élevées, proches de celle de la lumière. Elles sont ensuite projetées sur une cible ou contre d’autres particules, circulant en sens inverse. ces collisions permettent aux physiciennes et physiciens de sonder l’infiniment petit.

Lorsque les particules sont suffisamment énergétiques, il se produit un phénomène qui défie le sens commun : l’énergie de la collision se transforme en matière. Elle se matérialise sous forme de particules, dont les plus massives existaient dans l’Univers primordial. Ce phénomène, qui ne prévaut que dans l’infiniment petit, est décrit par la célèbre équation d’Einstein E=mc2 : la matière est une forme concentrée d’énergie et les deux sont interchangeables.

Le Grand collisionneur de hadrons LHC, l’accélérateur le plus puissant au monde, propulse ainsi des particules communes, comme des protons qui forment la matière que nous connaissons. Accélérés à une vitesse proche de la lumière, ils percutent d’autres protons. Ces collisions génèrent des particules massives, comme le boson de Higgs ou le quark top. La mesure de leurs propriétés permet de comprendre la matière et les origines de l’Univers. Ces particules massives n’existent qu’un instant fugace et ne sont pas observées directement. Elles se transforment (ou se désintègent) instantanément en particules plus légères, qui se désintègrent à leur tour. Les particules issues des désintégrations successives sont identifiées dans les couches du détecteur.