Futur collisionneur circulaire

Ce collisionneur est l’instrument scientifique considéré comme le plus prometteur par la communauté mondiale de la physique des particules en termes de perspectives de recherche et de variété des sujets d’étude. Il permettrait notamment d’exploiter pleinement la découverte du boson de Higgs et d’étudier le Modèle standard de manière approfondie.

En 2012, le CERN a découvert la particule fondamentale appelée boson de Higgs, complétant le Modèle standard (théorie qui décrit le comportement de la matière visible dans l’Univers) et ouvrant un nouveau chapitre pour la recherche. Le boson de Higgs est un outil formidable pour la recherche d’une nouvelle physique au-delà du Modèle standard.

Le LHC continue de produire des bosons de Higgs, et les expériences du LHC poursuivront leurs recherches jusqu’en 2040 ; après cette date, des accélérateurs de particules plus puissants et plus précis seront nécessaires pour faire avancer la recherche.

En effet, de nombreuses questions restent en suspens, car nous savons, grâce à l’observation de certains phénomènes dans l’Univers, que le Modèle standard n’est pas complet. Par exemple, bien que l’observation des galaxies ait fourni des indices solides de l’existence de la matière noire, sa nature fondamentale reste inconnue. La prédominance de la matière par rapport à l’antimatière dans l’Univers reste encore inexpliquée.

Ces questions, ainsi que des observations expérimentales telles que le fait que les neutrinos ont une masse, indiquent que le Modèle standard est incomplet. Pour y répondre, nous avons besoin de mesures d’une précision inédite, qui seraient rendues possibles par le FCC.

L’objectif principal du FCC est d’étudier en détail le boson de Higgs et ses interactions avec les autres particules élémentaires connues : il s’agira d’une « usine à Higgs ». Il sondera également d’autres aspects de la nature à l’échelle infiniment petite pour rechercher les moindres écarts par rapport à la théorie actuelle et étudier des phénomènes rares. Les objectifs sont notamment les suivants :

• mesurer le boson de Higgs et d’autres particules clés avec une précision inégalée ;
• rechercher de nouvelles particules, de nouvelles forces et des candidats potentiels à la matière noire ;
• comprendre pourquoi notre Univers contient plus de matière que d’antimatière ;
• explorer des phénomènes entièrement nouveaux grâce à l’amélioration de la précision et de la sensibilité.

Le FCC serait installé dans un tunnel souterrain en forme d’anneau d’une circonférence de 91 km, avec des puits de 200 m de profondeur en moyenne. Il serait plus profond et trois fois plus long que le LHC.

Pour déterminer le tracé du tunnel, l’un des critères était notamment que le complexe d’accélérateurs existant du CERN puisse servir de chaîne de pré-accélérateurs.

Ci-après une carte du tracé, qui traverse les départements de l’Ain et de la Haute-Savoie ainsi que le canton de Genève, avec une section sous le Léman.

Huit points d’accès sont prévus : un en Suisse et sept en France.

La surface de chaque point d’accès (ou « site de surface ») serait comprise entre 4 et 6 hectares, en fonction de sa finalité.

Le FCC est la machine qui a été jugée la plus efficace en termes de recherche pour étudier en profondeur de nombreux sujets prometteurs en physique des particules.

Ce choix a été fait à l’issue d’un rapport préliminaire de conception concernant le FCC, présenté en 2020 à titre d’élément de réflexion à prendre en compte pour la mise à jour de la stratégie européenne pour la physique des particules. En conséquence, le CERN a été mandaté par ses États membres pour réaliser une étude de faisabilité technique et financière du FCC qui sera présentée lors de la prochaine mise à jour de la stratégie, en mai 2026.

L’actuelle stratégie a été adoptée après la découverte au LHC du boson de Higgs, dernière particule non détectée prédite par le Modèle standard, qui décrit toutes les forces fondamentales connues (à l’exception de la gravité).

Le FCC, pour tirer parti de ces réalisations, serait un collisionneur électron-positon servant d’« usine à Higgs » : une installation spécialement conçue pour étudier le boson de Higgs. Il pourrait ensuite être transformé en collisionneur proton-proton capable d’atteindre des énergies de collision allant jusqu’à 100 téraélectronvolts.

La mission principale du CERN est la recherche fondamentale en physique des particules. Ce type de recherche repousse les limites de la connaissance pour comprendre les constituants fondamentaux et leurs interactions, ce qui permet de tirer des conclusions sur l’histoire et l’évolution de l’Univers.

Ce sont les nouvelles connaissances générées par la recherche fondamentale qui rendent possibles les grandes avancées : la science fondamentale est le socle de la science appliquée. Par exemple, sans l’équation fondamentale de la relativité générale formulée par Albert Einstein, des applications concrètes utilisées au quotidien, telles que le GPS, n’existeraient pas. Certaines applications, telles que les lasers, les circuits intégrés et les transistors, sont fondées sur les découvertes de la recherche quantique. 

Les outils et technologies développés pour mener à bien ces recherches peuvent trouver de nombreuses applications directes pour la société : c’est le cas de l’imagerie médicale et de la thérapie hadronique, utilisée pour le traitement de certains cancers.

Ces technologies se diffusent dans la société grâce aux universités et instituts participant aux collaborations, et grâce au CERN lui-même, dans des domaines tels que l’aérospatiale, la sécurité, la protection de l’environnement et le patrimoine culturel.

Pour en savoir plus.

S’il est approuvé, le FCC entrerait en service vers 2045.

En 2021, les États membres et États membres associés du CERN, y compris la France et la Suisse, ont demandé à ce que soit réalisée une étude de faisabilité. Cette décision faisait suite à la recommandation formulée par la communauté de la physique des particules dans la mise à jour 2020 de la stratégie européenne pour la physique des particules.

Le CERN, en collaboration avec des partenaires universitaires et industriels, mène actuellement des programmes de recherche visant à réutiliser les matériaux excavés lors de la construction du tunnel. L’objectif est d’utiliser au mieux les matériaux extraits du sous-sol, de préférence localement.

Une stratégie de gestion des matériaux est en cours d’élaboration avec les parties prenantes des États hôtes (France et Suisse), des universités et des entreprises spécialisées dans ce domaine.

L’objectif actuel est de réutiliser de manière locale la plupart des matériaux excavés, soit environ 70 %, afin de limiter les nuisances et le stockage. On estime en outre que 15 % des matériaux seront traités sur les sites d’extraction pour les rendre réutilisables. Les matériaux non récupérables seront transportés vers des centres de traitement et d’élimination spécialisés.

Les 85 % de matériaux récupérables seront réutilisés aux fins suivantes (les chiffres sont des estimations) : 

–      10 à 20 % pour la production de ciment et de béton ;

·      40 % comme remblais de carrière ;

·      30 % pour l’agriculture, la foresterie et l’aménagement de terres et de friches industrielles. Ce chiffre pourrait être revu à la hausse en fonction les résultats du projet OpenSkyLab ;

• 10 % pour les autres filières de récupération (matériaux de construction, routes de campagne, création de tranchées couvertes).

Cette démarche s’inscrit dans le plan d’action de l’Union européenne pour l’économie circulaire ; elle respecte les bonnes pratiques adoptées par les deux États hôtes du CERN, la France et la Suisse.

Le volume total de matériaux qui seraient excavés pour la construction du FCC est estimé à 6,3 millions de m³, soit environ 16,4 millions de tonnes sur l’ensemble de la période de construction.

Chaque année, les travaux de construction du FCC impliqueraient de gérer moins de 2 % de tous les matériaux extraits chaque année en France et 0,1 % des matériaux extraits chaque année en Suisse.

Le CERN s’efforce d’être un laboratoire scientifique modèle en matière de respect de l’environnement, en agissant de façon transparente, responsable et durable. Toutes les activités liées au FCC respecteront ces engagements et les règles environnementales en vigueur en France et en Suisse, ainsi que la législation de l’UE, notamment concernant la faune, la flore, la qualité des sols et de l’air, les ressources en eau, la biodiversité, la pollution par le bruit, la poussière et la lumière, et prendront en compte les infrastructures locales existantes et futures. Le projet appliquera systématiquement le principe « éviter-réduire-compenser ».

En savoir plus.

Le coût du FCC avec quatre points d’interaction est estimé à 15 milliards de francs suisses, répartis sur 12 ans environ. Un tiers de ce coût est lié aux travaux de génie civil pour le tunnel. L’investissement viendrait principalement du budget récurrent du CERN ; il serait réparti sur plusieurs années et partagé entre les États membres et les partenaires internationaux du CERN. Des financements supplémentaires pourraient être apportés par des contributions publiques ou privées. Des donateurs du secteur privé ont déjà promis 860 millions d’euros, et le FCC est classé premier parmi les 11 projets d’envergure (« Moonshots ») possibles pour l’Europe cités dans le cadre financier pluriannuel 2028-2034 de la Commission européenne.