physique

ILC, l’accélérateur de particules du futur

Le plan d’un nouveau collisionneur de particules appelé ILC, ou Collisionneur Linéaire International, a été dévoilé mercredi 12 juin. Sa construction permettrait d’enrichir les découvertes effectuées au LHC du CERN.

Moins d’un an après la découverte du boson de Higgs au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, en juillet dernier, les physiciens imaginent déjà l’accélérateur de particules du futur. L’ILC, ou Collisionneur linéaire international, n’est encore qu’un projet: on ne sait pas s’il sera construit, ni où! Mais il a déjà fait l’objet de nombreuses années de recherche et développement. Ces travaux ont abouti à un rapport détaillant les caractéristiques de l’accélérateur, présenté mercredi à l’occasion d’une cérémonie organisée successivement à l’Université de Tokyo, au CERN et au laboratoire Fermilab, situé près de Chicago.

C’est sous les applaudissements du public et les flashes des photographes que le directeur de la Collaboration pour le collisionneur linéaire, Lyn Evans, a présenté pour la première fois les cinq volumes du «rapport de conception technique» du futur ILC. Plus de 1000 scientifiques issus d’une centaine d’universités ont collaboré à la description de ce collisionneur, considéré comme le successeur probable du LHC dans le cadre de la recherche sur l’infiniment petit.

A quoi ressemblera l’ILC, s’il voit effectivement le jour? D’après le projet qui vient d’être présenté, il sera constitué de deux accélérateurs linéaires souterrains se faisant face et mesurant chacun 15 kilomètres de long. En tout, la machine mesurera 31 kilomètres de long, soit plus que le LHC, un anneau circulaire de 27 kilomètres de circonférence. L’ILC fera entrer en collision des électrons avec des positrons, leur équivalent de charge positive. D’abord concentrées sous forme de faisceaux très denses, ces particules seront accélérées grâce à l’énergie fournie par des cavités supraconductrices, fonctionnant à une température proche du zéro absolu. A l’issue de cette accélération, elles se rencontreront avec une énergie de collision de 500 GeV (gigaélectronvolts), au sein de détecteurs dont le rôle sera d’étudier les nouvelles particules produites lors des impacts.

«Le LHC est une très bonne machine pour découvrir de nouvelles particules comme le boson de Higgs, mais nous avons besoin de l’ILC pour étudier leurs caractéristiques», affirme Lyn Evans, physicien au CERN. Le LHC accélère en effet des particules complexes, les protons, qui sont constitués de quarks et de gluons. Chaque collision donne ainsi lieu à un important «bruit de fond» difficile à interpréter. «En revanche, l’ILC fait se rencontrer des particules élémentaires, les électrons et les positrons, dont les interactions sont moins complexes et dont on peut bien maîtriser l’énergie. Il devrait donc nous livrer des informations plus précises», indique pour sa part Sandro de Cecco, du Laboratoire de physique nucléaire et des hautes énergies du CNRS, à Paris.

Mais au fait, pourquoi construire un accélérateur linéaire et non circulaire, comme dans le cas du LHC? Lorsqu’elles accélèrent sur une courbe, les particules émettent un rayonnement dit «synchrotron», qui leur fait perdre de l’énergie. Peu significative dans le cas de particules lourdes comme les protons, cette perte d’énergie est, en revanche, problématique avec les électrons, plus légers. «On doit constamment réaccélérer le faisceau de particules pour compenser, et cela devient impossible lorsqu’on veut atteindre l’énergie de 500 GeV souhaitée pour l’ILC», précise Lyn Evans.

Parmi les missions confiées à l’ILC, la principale sera de préciser les caractéristiques des particules nouvellement découvertes, en premier lieu celles du boson de Higgs. La machine semble particulièrement bien armée pour atteindre cet objectif, puisqu’il s’agit, d’après les physiciens, d’une véritable «usine à Higgs». «Avec le LHC, qui va continuer à fonctionner, nous ne produirons que quelques milliers de Higgs, alors que chaque collision de l’ILC devrait en fournir un», évalue Sandro de Cecco. Grâce au grand nombre d’observations recueillies sur ce boson, les scientifiques espèrent mieux comprendre la manière dont il interagit avec les autres particules, leur conférant ainsi leur masse. Cela devrait permettre de déterminer sa nature. «Actuellement, les mesures effectuées au CERN suggèrent que le Higgs correspond au modèle standard de la physique des particules, mais l’ILC pourrait révéler qu’il fait partie d’une extension de ce modèle», explique Sandro de Cecco. Les théories qui existent en dehors du modèle standard, telle que la supersymétrie, prévoient en effet l’existence de plusieurs bosons de Higgs!

A plus longue échéance, l’ILC pourrait aussi éclairer de nouveaux domaines de la physique, tels que l’étude de la matière noire, dont la nature nous reste inconnue. Afin de mener des travaux plus poussés, les physiciens envisagent d’ailleurs, à terme, de doubler la longueur des accélérateurs de l’ILC, afin de porter son énergie à 1 TeV (ou téraélectronvolts). Par la suite, un autre accélérateur pourrait prendre le relais: baptisé CLIC, pour Collisionneur linéaire compact, il aurait une énergie au moins cinq fois plus importante que celle de l’ILC. Mais des recherches doivent être menées pour préciser son mode de fonctionnement.

Quant à l’ILC, sa réalisation concrète dépendra de la volonté des gouvernements de le financer. Son coût est évalué à quelque 7 milliards de francs, dont la majeure partie devra être payée par le pays qui hébergera l’installation. «Cette machine ne sera pas construite au CERN, qui va encore exploiter le LHC pendant une vingtaine d’années», estime Lyn Evans. En revanche, les Japonais semblent intéressés: «On attend des annonces de leur part d’ici à la fin de l’année», indique Sandro de Cecco. La construction ne commencera cependant pas avant plusieurs années, et il faudra alors environ dix ans de construction avant que les premières collisions ne se produisent dans l’ILC.

Le coût de l’ILCest estimé à plusde 7 milliards de francs, dont la majeure partie sera payéepar le pays hôte

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