En s’entrechoquant à des niveaux d’énergie faramineux, les particules engendrent des conditions similaires à celles de l’Univers primordial, juste après le Big Bang. Et donnent naissance à des myriades d’autres briques élémentaires de la matière, tels des électrons, des neutrinos ou des quarks, ainsi qu’une particule dénommée « boson de Higgs », qui est au cœur des plus grandes énigmes actuelles de la physique et de la cosmologie. En analysant minutieusement ces collisions, les chercheurs du Cern comptent percer le mystère, en particulier, d’une invisible et insaisissable matière noire qui emplit une grande partie du cosmos…
Cette machine n’est pour le moment qu’un rêve de physiciens. Mais l’une des étapes les plus décisives pour sa mise en œuvre devrait être franchie dans les semaines qui viennent. Le 22 mai, lors d’une session extraordinaire du conseil du Cern, des centaines de scientifiques et d’experts gouvernementaux se réuniront dans les locaux de l’Académie hongroise des sciences, à Budapest, pour prendre une décision historique. Ils devraient entériner la nouvelle stratégie européenne qui guidera les recherches en physique des particules pour les prochaines décennies. Et ainsi recommander au Cern la construction de ce gigantesque accélérateur de particules baptisé « futur collisionneur circulaire », ou FCC-ee (pour la collision électron positon).
Imaginé comme le successeur du grand collisionneur de hadrons (LHC), l’instrument pourrait devenir opérationnel au milieu des années 2040, coûter 16 milliards d’euros – et peut-être même le double pour ses extensions les plus ambitieuses prévues vers 2070. « Ce sera la machine ultime pour explorer dans ses moindres détails le modèle standard de la physique, la meilleure théorie dont nous disposons actuellement pour décrire les constituants de base de l’Univers et les forces qui régissent leurs interactions « , annonce Jean-Paul Burnet, responsable des infrastructures techniques du projet FCC-ee. Grâce à cet engin monumental, les scientifiques pourront « toucher les limites de cette théorie et découvrir, peut-être, une nouvelle physique « , s’enflamme l’ingénieur.
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Le LHC, jusqu’ici le plus puissant instrument au monde
Inauguré en 2008, après une vingtaine d’années d’études et de travaux de construction, le LHC est déjà une machine hors norme. Avec ses 27 km de circonférence et ses collisions de protons (particules composant les noyaux atomiques) à des énergies pouvant atteindre 14.000 milliards d’électronvolts, il est le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules conçu à ce jour, faisant du Cern le « temple mondial » de l’infiniment petit, avec lequel plus de 15.000 chercheurs collaborent.
« Le LHC est un collisionneur extrêmement performant, bien au-delà de ce que nous avions anticipé « , assure Gautier Hamel de Monchenault, directeur de la recherche et du calcul scientifique au Cern. Grâce à ses quatre principaux détecteurs de particules – Atlas, CMS, Alice et LHCb -, « il est à l’origine de plusieurs centaines de publications scientifiques chaque année « , précise le physicien, sur la structure interne du proton ou les propriétés de la matière telle qu’elle devait exister quelques microsecondes après le Big Bang.
Sa plus grande réalisation a été la mise en évidence, en 2012, du boson de Higgs. Tel était du reste l’un des objectifs prioritaires du LHC au moment de sa conception : identifier cette particule, dont l’existence avait été prédite en 1964 par les théoriciens Peter Higgs, Robert Brout et François Englert, et qui échappait jusqu’alors à toute détection. Le boson de Higgs occupait une place à part mais absolument essentielle dans le modèle standard.
C’est grâce à lui, en effet, que les physiciens expliquaient les différentes masses des particules : nulle pour le photon ou jusqu’à 300.000 fois celle de l’électron pour le quark top, la plus lourde d’entre elles. Pour le Britannique Peter Higgs et ses deux confrères, ces masses ne seraient pas des propriétés intrinsèques des particules mais le résultat d’interactions avec un nouveau type de champ quantique aux propriétés inédites : le champ de Higgs, engendré par le boson éponyme. Qualifié de « scalaire » par les physiciens, il serait présent en tout point et à tout moment dans l’espace, structurant ainsi le vide qui ne serait pas le néant.
Ce champ se serait stabilisé une fraction de seconde après le Big Bang, lorsque l’Univers a débuté son expansion et que la densité d’énergie est devenue inférieure à la sienne. Plus les particules élémentaires interagiraient avec lui, plus elles seraient ralenties et acquerraient la masse qui les caractérise. Sans cette « mélasse » invisible, elles auraient toutes une masse nulle, se déplaceraient à la vitesse de la lumière et ne pourraient s’agréger. « Les atomes et les grandes structures de l’Univers ne pourraient tout simplement pas exister « , résume Ursula Bassler, qui a dirigé le conseil du Cern de 2019 à 2021 et pilote désormais les relations politiques et institutionnelles de l’organisation. C’est ce mécanisme fondamental que les détecteurs Atlas et CMS ont permis de confirmer, en identifiant de manière indiscutable et indépendante les signatures énergétiques produites par la désintégration du boson de Higgs : une particule dont la durée de vie n’excède pas le millième de milliardième de milliardième de seconde et dont la masse est mesurée, par ces mêmes détecteurs, à 125 milliards d’électronvolts.
Cette confirmation est perçue, à juste titre, comme un triomphe à la fois technologique et de la pensée – Peter Higgs et François Englert se voyant récompensés, dès 2013, par le prix Nobel de physique (Robert Brout est décédé en 2011, avant cette consécration). Avec la mise en évidence du boson de Higgs, dernière pièce manquante du modèle standard bâti par plusieurs générations de physiciens, cet édifice théorique semblait désormais « clos, parachevé « , observe Ursula Bassler.
Mais comme toute construction scientifique, elle a vocation à être un jour dépassée. Et les arguments ne manquent pas. « Le modèle standard échoue à rendre compte de nombreuses observations directes du cosmos « , rappelle la physicienne. C’est le cas de la matière noire, qui n’émet pas de lumière et n’absorbe aucun rayonnement électromagnétique, mais dont l’existence est trahie par ses effets gravitationnels sur le mouvement des galaxies. Elle serait ainsi cinq fois plus abondante que la matière ordinaire composant les atomes, planètes ou étoiles, comme l’atteste une variété de mesures réalisées notamment par le télescope Planck dans les années 2010. Sa nature demeure toutefois inconnue. « Beaucoup de physiciens étaient persuadés que les collisions du LHC auraient pu produire des particules de matière noire, or aucun indice n’a été identifié « , constate Gautier Hamel de Monchenault.
Crédit : Bruno Bourgeois; Source : FCC/CERN
Le mystère de l’énergie sombre reste inexpliqué
Depuis une vingtaine d’années, en analysant des explosions d’étoiles très lointaines ou en calculant la densité totale de l’Univers, les astronomes ont aussi mis en évidence une étrange forme d’énergie agissant comme une force gravitationnelle répulsive et accélérant l’expansion du cosmos. Uniformément répartie dans l’espace, elle n’interagit pas avec la lumière ni avec la matière ordinaire. Or, cette « énergie sombre », qui, d’après les observations, constituerait 68 % de l’Univers, est un parfait mystère pour la physique des particules.
Le modèle standard, là encore, reste sans réponse. Il est incapable d’expliquer, par ailleurs, comment la matière a pris le dessus sur l’antimatière juste après le Big Bang ; pourquoi il existe trois familles de particules élémentaires et non pas quatre ou quatorze ; pourquoi les neutrinos ont une masse – certes très faible – alors que, selon le modèle standard, elle devrait être nulle. « Les sujets où ça coince sont nombreux, souligne Ursula Bassler. Ils alimentent notre désir de comprendre et nous poussent à chercher une théorie encore plus fondamentale. «
Mais dans quelle direction ? Comment traquer de nouvelles particules qui ne correspondraient à rien de connu ? « Les théoriciens ont guidé les recherches durant des décennies, leurs prédictions permettant de découvrir de multiples constituants de base du cosmos. Mais c’est aux expérimentateurs, à présent, de reprendre la main en indiquant de nouvelles voies à suivre « , analyse Ursula Bassler. Or, elles semblent toutes devoir passer par l’étude approfondie du boson de Higgs.
Puisque les particules de matière noire sont sensibles à la gravitation, elles devraient posséder une certaine masse, même infime, et interagir d’une manière ou d’une autre avec ce boson. L’énergie sombre présenterait également, avec celui-ci, de grandes similitudes. Elle pourrait correspondre en effet à un autre type de champ scalaire, présent partout dans l’espace, dont la valeur aurait varié jusqu’à provoquer l’expansion accélérée du cosmos. Enfin, c’est au cours de la transition extrêmement rapide qui a conduit le champ de Higgs à se stabiliser dans sa configuration actuelle que la matière aurait trouvé un terrain propice pour prendre le pas sur l’antimatière. « Il existe des liens très profonds entre le boson de Higgs et les questions que nous nous posons sur l’évolution de l’Univers, relève Ursula Bassler. Pour la plupart des experts, cette particule est le point d’entrée pour trouver des réponses et découvrir une physique au-delà du modèle standard. «
Les particules du modèle standard
Finalisé dans les années 1970, le modèle standard de la physique des particules décrit dans un cadre unifié l’ensemble des constituants de base de l’Univers et les forces qui gouvernent leurs interactions, à l’exception de la gravitation. Tout ce qui nous entoure est composé ainsi de 12 particules de matière – appelées fermions – divisées elles-mêmes en deux catégories : les quarks (au nombre de six) et les leptons (six également, tel l’électron). Une troisième famille, les bosons, transmet les interactions fondamentales : le photon pour la force électromagnétique (à l’origine du magnétisme ou de la lumière), le gluon pour la « force forte » (qui permet la cohésion des noyaux atomiques), les bosons Z et W pour la « force faible » (responsable de la fusion nucléaire au sein des étoiles). Le modèle standard inclut enfin le boson de Higgs, associé à un champ qui confère leurs masses aux différentes particules.
Les particules élémentaires se répartissent en six quarks (orange) et six leptons (vert) qui composent la matière. S’y ajoutent quatre particules qui véhiculent les forces (bleu) et le boson de Higgs qui donne leur masse aux particules. Crédit : BRUNO BOURGEOIS
Détecter les signaux menant à de nouvelles particules
La stratégie est donc claire : examiner le boson de Higgs sous toutes ses coutures afin de repérer les signaux ou anomalies menant vers de nouvelles particules. Dès le milieu des années 2000, la plupart des physiciens imaginaient ainsi que le successeur du LHC devrait être ce qu’ils appellent une « usine à Higgs » : un accélérateur spécialement conçu pour produire cette particule en grande quantité afin de l’étudier ensuite avec une précision maximale.
Contrairement au LHC, une machine dite « de découverte » balayant un large éventail d’énergies dans le but de dévoiler des particules inconnues, « c’est un instrument de précision focalisé sur les propriétés du boson de Higgs qui apparaît désormais nécessaire « , indique Gautier Hamel de Monchenault. En mesurant avec une très grande exactitude l’énergie, les modes de désintégration et les interactions du boson de Higgs avec d’autres particules comme le quark top, « il pourrait révéler des déviations avec les prédictions du modèle standard, pose le physicien. Les écarts ne seraient pas nécessairement spectaculaires, une légère différence d’énergie pouvant révéler la présence virtuelle de particules de matière noire, par exemple. «
Depuis 2024, le Cern a ainsi organisé une série de consultations auprès de la communauté européenne de la physique des particules, afin de s’accorder sur une vision commune de l’avenir et déterminer quel type d’usine à Higgs il faudrait bâtir. Cette machine ultraprécise sera, sans nul doute, un collisionneur à électrons, à l’instar du Large Electron Positron collider (LEP) qui a fonctionné au Cern entre 1989 et 2000. « Les collisions de protons au LHC produisent certes de nombreux bosons de Higgs, environ un toutes les cinq secondes, rappelle Gautier Hamel de Monchenault. Mais les protons sont des particules composites constituées elles-mêmes de gluons et de quarks. Les bosons de Higgs sont donc noyés dans un flot continu de particules diverses, un immense bruit de fond, et leur nombre n’est pas connu avec exactitude. «
En revanche, dans un collisionneur à électrons, qui sont des particules élémentaires, ce nombre peut être déterminé avec certitude, accroissant ainsi la précision des calculs. Les collisions sont en outre beaucoup plus « propres », maîtrisées, ce qui facilite grandement l’extraction et l’analyse des données.
Le Cern, un accélérateur de paix
Plus grand laboratoire de physique des particules au monde, l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (Cern) a été créée peu après la Seconde Guerre mondiale, dans un contexte marqué par une volonté de coopération scientifique européenne et de réconciliation entre États. Fondé par une douzaine de nations, dont la France, l’Italie et l’Allemagne de l’Ouest, il compte aujourd’hui 25 États membres (les plus récents venant tous d’Europe de l’Est), mais aussi une dizaine de pays associés ou observateurs, comme le Pakistan, l’Ukraine, les États-Unis ou encore le Japon. Le conseil du Cern est l’autorité suprême de gouvernance. Composé des représentants scientifiques et gouvernementaux des pays membres, il approuve les budgets et projets de l’organisation, comme la construction de nouveaux accélérateurs de particules.
Les incomparables atouts d’une structure circulaire
Les débats ont porté cependant sur la nature de ce collisionneur. Certains physiciens, dans le droit fil des usines à Higgs imaginées dans les années 2000, optent ainsi pour des accélérateurs linéaires où deux faisceaux d’électrons se percutent en ligne droite. Leur principal avantage est de pouvoir atteindre des énergies très élevées, jusqu’à plusieurs milliers de milliards d’électronvolts. « Mais les résultats du LHC ont rendu ces concepts beaucoup moins pertinents, rétorque Gautier Hamel de Monchenault. Car la masse du boson de Higgs, établie en 2012 par Atlas et CMS, est relativement faible, dans les valeurs basses qu’elle pouvait adopter dans le cadre du modèle standard. «
Aujourd’hui, la majorité des physiciens soutient ainsi le projet du futur collisionneur circulaire en raison de ses incomparables atouts. En premier lieu, parce que les faisceaux d’électrons pourraient tournoyer et se rencontrer des dizaines de millions de fois par seconde au sein d’un anneau, alors qu’ils ne se heurteraient qu’une seule fois dans une structure linéaire au point de collision. De plus, dans le futur collisionneur circulaire, les faisceaux seraient structurés par paquets très denses de 11.000, contre 2800 au LHC et seulement 4 au LEP, chaque paquet contenant du reste plusieurs milliards d’électrons.
Au final, le FCC-ee produirait cent fois plus de collisions que les projets d’accélérateurs linéaires. « Et collecterait en trois minutes autant d’informations que pendant toute la durée de fonctionnement du LEP « , s’ébahit Jean-Paul Burnet. Des millions de milliards d’évènements seraient analysés ainsi, après dix ans d’exploitation. « Outre la finesse des mesures, c’est l’ampleur des données collectées qui permettra d’ausculter en détail le boson de Higgs et ses modes de désintégration les plus rares « , ajoute l’ingénieur.
Les accélérateurs circulaires présentent toutefois un inconvénient. À chaque fois que des particules chargées (en l’occurrence des électrons) sont déviées d’une trajectoire rectiligne, ils perdent une partie de leur énergie sous forme de rayonnement lumineux. Il faut donc les réaccélérer en permanence à l’aide de « cavités radiofréquences », des dispositifs installés au sein de l’anneau pour booster les électrons à chacun de leur passage.
Ils sont néanmoins insuffisants, à eux seuls, pour atteindre les objectifs du FCC-ee. « Pour minimiser les pertes énergétiques, nous n’avons pas d’autre possibilité que d’accroître considérablement le rayon de courbure de l’accélérateur « , explique Jean-Paul Burnet. C’est pour cette raison que le FCC-ee mesurerait 91 km de circonférence, plus de trois fois le boulevard périphérique de Paris !
Ce qui pose de sérieux défis en matière de génie civil, un collisionneur de cette taille ne pouvant être installé en surface en raison des radiations potentiellement dangereuses et des contraintes liées aux habitations, aux routes et à la topographie autour de Genève. Il faudra donc enfouir le FCC-ee à des profondeurs allant de 180 à 400 mètres, pour passer notamment sous le Rhône et le lac Léman. « Plus de 16 millions de tonnes de roches sédimentaires devront être excavées sur une période de six ans « , détaille Jean-Paul Burnet. Pour un coût estimé à 6 milliards d’euros – un tiers du budget total.
Mais une fois que ce gigantesque tunnel aura été creusé, le Cern pourrait l’exploiter pour y installer une machine encore plus futuriste, après le FCC-ee… susceptible de fonctionner jusqu’en 2095 ! « Le Cern avait déjà suivi cette logique en implantant le LHC dans l’ancien tunnel du LEP « , rappelle Jean-Paul Burnet.
C’est là un ultime avantage par rapport aux collisionneurs linéaires, dont les infrastructures ne peuvent être réutilisées pour accueillir des systèmes plus performants. Il s’agirait alors, à nouveau, d’une machine exploratoire : un collisionneur de protons pouvant atteindre une énergie de 100.000 milliards d’électronvolts, huit fois celle du LHC ! De quoi défricher des territoires énergétiques inconnus et « attraper » notamment les nouvelles particules seulement signalées par les mesures du FCC-ee.
Baptisée FCC-hh (pour la collision proton-proton), une telle installation nécessiterait « des aimants supraconducteurs d’une intensité de 16 voire 20 teslas qui n’existent pas encore, reconnaît Jean-Paul Burnet. On estime à une vingtaine d’années au minimum le temps nécessaire pour développer pareilles technologies. «
Vue d’artiste du tunnel du futur collisionneur proton-proton (FCC-hh), qui devrait entrer en service dans les années 2070. Crédit : PIXELRISE
Telle est donc la feuille de route qui devrait être approuvée fin mai à Budapest ; et qui « permettrait de mettre en œuvre le programme de physique des particules le plus ambitieux au monde avec un potentiel de découverte exceptionnel « , conclut le rapport du groupe d’experts sur la nouvelle stratégie européenne. À la demande du Cern, ce panel présentera également plusieurs options alternatives. Certes moins coûteuses, mais qui n’offrent pas la même richesse scientifique, la même vision sur le long terme et le même niveau de consensus auprès des physiciens des particules qui « défendent à plus de 90 % » le projet du futur collisionneur linéaire et ses deux phases, affirme Ursula Bassler.
La décision finale sera prise en 2028 ou 2029. Au-delà des considérations scientifiques, elle reposera sur la faisabilité financière, mais aussi l’acceptation sociétale, la consommation énergétique ou la valorisation des déchets produits par le chantier. Un aspect plus politique pèsera également dans la balance : « Après le LHC, il est indispensable que le Cern développe un nouveau projet d’envergure pour conserver ses talents, ses compétences, et le leadership mondial en physique des particules « , fait valoir l’experte.
Les solutions alternatives
Le groupe d’experts chargé de la nouvelle stratégie européenne pour la physique des particules envisage plusieurs solutions de repli au cas où le projet du futur collisionneur circulaire ne serait pas adopté, pour des raisons économiques notamment. Au premier rang des solutions de rechange figurent les collisionneurs linéaires à électrons, à l’instar des projets ILC (International Linear Collider) et Clic (Compact Linear Collider), mesurant respectivement 31 et 50 km de longueur pour des coûts avoisinant 8 milliards d’euros.Même si ces infrastructures avaient une couverture scientifique moins large, elles permettraient de réaliser certaines mesures très précises sur les propriétés du boson de Higgs et ses interactions avec le quark top en particulier.
Viennent ensuite d’autres « usines à Higgs » de moindre envergure, qui coûteraient tout de même 4 à 5 milliards d’euros. Il s’agit notamment du projet LEP3, un collisionneur à électrons qui utiliserait le tunnel existant du LHC de 27 km de circonférence. Ou encore de LHeC, une structure mixte qui ferait s’entrechoquer les faisceaux de protons du LHC avec des électrons injectés par un accélérateur linéaire (à construire) de 1 à 2 km de long.
Le collisionneur linéaire compact (Clic), d’une taille moindre, pourrait être construit par le Cern si le FCC se révélait irréalisable. Crédit : CERN
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