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Le CERN voit les choses en grand pour observer l’infiniment petit

Un rapport sur «l’après-LHC» préconise, entre autres, la construction à Genève d’un gigantesque accélérateur de particules qui ridiculiserait de par ses dimensions l’actuel LHC: il serait quatre fois plus grand, avec 100 kilomètres de circonférence

Pour voir l’infiniment petit, il faut voir grand. Cela, les physiciens de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) l’ont compris mieux que tout le monde en imaginant un accélérateur de particules de 100 kilomètres de circonférence, quatre fois plus grand que l’actuel grand collisionneur de hadrons ou LHC, à Genève.

Une collaboration européenne regroupant 1300 contributeurs issus de 150 universités a publié mardi un «rapport préliminaire de conception» explorant diverses options envisagées pour la construction d’un tel instrument hors normes. Le document de quatre volumes est le fruit de réflexions engagées en 2013 lorsque fut fixée la stratégie européenne pour la physique des particules.

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Celle-ci appelait à exploiter pleinement le LHC – il est justement en cours d’amélioration – mais aussi à penser, déjà, à l'étape suivante. Concevoir puis construire un tel instrument prend une vingtaine d’années, explique pour le CERN son directeur des accélérateurs et de la technologie Frédérick Bordry: «Si nous voulons un accélérateur qui prenne le relais du LHC en 2040, année jusqu’à laquelle il devrait fonctionner une fois sa mise à niveau terminée, alors il faut s’y mettre dès maintenant, sinon c’est vingt ans de perdus», assure-t-il.

Usine à Higgs

Les physiciens en sont encore à esquisser les contours de ce futur instrument enfoui dans les entrailles franco-suisses, provisoirement nommé FCC (Future Circular Collider). Ils ont pour cela imaginé quatre possibilités, «pas forcément exclusives mais pouvant être vues comme des étapes successives», détaille Arnaud Marsollier, porte-parole de l’organisation.

Un scénario serait de creuser ce tunnel de 100 kilomètres et d’y mener des expériences de collisions entre cousins de charge électrique opposée: les électrons et les positrons. Parmi les débris qui en résulteraient, les physiciens espèrent récolter des bosons de Higgs en quantité. Cette «usine à Higgs» permettrait d’étudier cette célèbre particule découverte au LHC en 2012 dont on sait finalement encore bien peu de choses. «C’est le scénario le plus pertinent, commente Arnaud Marsollier. La technologie existe et elle est prête.»

Autre option: provoquer des chocs entre protons – comme dans le LHC. Il faudrait pour cela disposer d’aimants extrêmement puissants, générant des champs magnétiques de 16 teslas, le double de ceux à l’œuvre dans le LHC. «Il en existe quelques prototypes courts en laboratoire, mais il faudra encore du temps et des améliorations pour produire les quelque 4000 aimants longs nécessaires pour un accélérateur de 100 kilomètres», prédit Frédérick Bordry. De nouveaux alliages en niobium-étain, qui feront leurs débuts à la réouverture du LHC, seront vraisemblablement utilisés pour leur construction.

Craquer le modèle standard

Pour ces raisons, ces collisions ne devraient voir le jour que dans un deuxième temps, toujours dans le même tunnel. Mais quelles collisions! Elles pourraient atteindre des énergies de 100 téraélectronvolts (TeV), alors que le LHC montera à 14 TeV au maximum.

De quoi exciter les physiciens: «L’Histoire prouve qu’à chaque fois que l’homme augmente l’énergie des collisions, il découvre de nouvelles particules», glisse Frédérick Bordry. C’est bien là le cœur du projet: une quête de connaissances sur les lois régissant l’Univers, dont l’énigmatique matière noire fait figure d’exemple emblématique. En élevant drastiquement la fréquence et l’énergie des collisions, les chances de capturer une particule de matière noire augmentent elles aussi. De quoi enfin «craquer» le modèle standard, cet écheveau théorique qui définit les lois de la nature?

Avant de le savoir, le conseil de stratégie devra donc trancher entre ces options et d’autres telles que le projet d’accélérateur linéaire CLIC – une possibilité à envisager si le Japon abandonne son propre projet en la matière. Viendra ensuite l’heure des comptes: environ 9 milliards d’euros seront nécessaires pour le collisionneur électrons-positrons, répartis entre le CERN, les états membres et les partenaires. Le feu vert pourrait tomber en 2020 dans le meilleur des cas.

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