FCC: le CERN étudie un accélérateur de 100 km !

Nom de code : FCC pour Future Circular Collider, c’est le nom du projet qui regroupe un ensemble d’études pour des futurs grands accélérateurs de particules circulaires de l’ordre de 100 km de circonférence dans la région de Genève où le CERN exploite actuellement le plus grand accélérateur de particules du monde, le LHC (Large Hadron Collider), qui mesure 27 km de circonférence.

FCC_planLocalisation du FCC par rapport au LHC dans la région genevoise. Le FCC passerait sous le lac Léman  et contournerait le massif du Salève entre Suisse, Ain et Haute Savoie. © CERN.

Un accélérateur de 100 km pour faire quoi ?

Si le LHC ne trouve pas de nouvelles particules jusqu’à son énergie maximale en 2018  (14 TeV au centre de masse), cela peut signifier qu’il y a peut-être des particules encore plus massives au-delà de cette énergie qui pourraient répondre aux questions des physiciens qui restent toujours en suspens:

  • Qu’est-ce que la matière noire ?
  • Quelles sont tous les constituants de la matière ?
  • Quelle est l’origine de l’asymétrie matière/antimatière ?
  • Pourquoi la masse des neutrinos est si petite et ont-ils des partenaires super-massifs ?
  • Les particules ont-elles des partenaires super-symétriques ?
  • Y a-t-il d’autres forces dans la nature à plus hautes énergies ?

La communauté internationale s’est donc fixé une limite de 100 TeV au centre de masse (soit 7 fois plus que le LHC) pour repousser cette limite où notre technologie future devrait pouvoir nous conduire mais il y a beaucoup de recherche et de développement à faire pour arriver à ce résultat extrêmement ambitieux. Beaucoup de gens du métier disent que « c’est complètement fou, c’est impossible » mais un ancien responsable de la construction du LHC me disait il y a quelques mois que « c’est exactement ce que tout le monde disait dans les années 80 en parlant du LHC, mais c’est aujourd’hui une réalité et un succès, alors pourquoi serait-ce différent avec le FCC ? ».

En effet, maintenant que le LHC fournit ses résultats et que le boson de Higgs a été découvert à une énergie de 125 GeV, la communauté internationale étudie dès à présent l’ère post-LHC.  Lors de la dernière réunion de la stratégie européenne en physique des particules à Bruxelles en mai 2013, plusieurs grandes priorités pour l’Europe ont été définies dont la nécessité de commencer à étudier des accélérateurs protons-protons et électron-positrons repoussant la limite d’énergie à la frontière des technologies possibles (voir le résumé ici).

FCC_membersParticipants au meeting du coup d’envoi pour le FCC à l’université de Genève en février 2014. ©CERN.

Le CERN doit maintenant rendre une étude conceptuelle détaillée (CDR pour Conceptual Design Report) comprenant les différents aspects du FCC pour la physique, les détecteurs, les accélérateurs et les infrastructures associées pour 2018, date à laquelle une décision devrait être prise par l’Europe, tout en considérant les données fournies par le LHC pendant sa deuxième phase d’exploitation 2015-2018.

Les différents projets

Le FCC encapsule 3 projets de collisionneurs circulaires d’une centaine de kilomètres :

  • FCC-hh : Un collisionneur hadronique proton-proton avec une énergie de 100 TeV au centre de masse (pour comparaison, le LHC est à 14 TeV)
  • FCC-ee (anciennement dénommé TLEP) : Un collisionneur leptonique électron-positron fournissant des faisceaux à des énergies de 45 GeV à 175 GeV (pour comparaison, le LEP2 était à 104 GeV par faisceau).
  • FCC-he : Un collisionneur lepton/hadron réalisant des collisions entre des protons et des électrons à ces énergies.

Le FCC-ee serait en fait une étape intermédiaire pour étudier les bosons W/Z ainsi que le quark top et bien sûr le boson de Higgs en détail avant de construire le FCC-hh qui serait véritablement le projet final pour repousser la limite de l’énergie et trouver de nouvelles particules massives. L’approche est un peu analogue avec l’expérience du LEP (électron/positron) qui a cédé la place au LHC (proton/proton) par la suite.

La taille du FCC n’est pas encore arrêtée car elle est fonction des surcoûts liés au génie civil (plus c’est grand, plus c’est cher) et au surcoût engendré par les aimants qui doivent être plus puissants si l’accélérateur est plus petit pour la même énergie. De plus, les contraintes géographiques peuvent avoir un impact significatif (lac, montagne, …) sur le génie civil. Les études portent donc sur des versions à 80 km et à 100 km de circonférence pour comparer sérieusement les différentes options qui peuvent s’offrir à nous.

Dans ces 3 projets ambitieux, plusieurs technologies clef sont encore à démontrer pour leur faisabilité, en particulier :

  • Pour le FCC-hh : la capacité de fabriquer en grande quantité des aimants supraconducteurs de 16 Teslas (pour la version 100 km) ou 20 Teslas (pour la version 80km).
  • La capacité de refroidir à une température cryogénique l’ensemble des 100 km d’aimants supraconducteurs de manière réaliste et fiable.
  • Pour le FCC-ee : La capacité de développer des structures accélératrices plus efficaces car il faut compenser environ 7,5 GeV de perte synchrotrons à chaque tour pour des électrons, soit une puissance de 50 MW à apporter à chaque faisceau de manière continue.

 FCC_cryoEvolution de la capacité de refroidissement cryogénique à 4,5 K nécessaire aux accélérateurs existants et projection pour le FCC. © Laurent Tavian.

Le coût

En termes de coût, il est actuellement impossible de donner un chiffre car il y a encore de nombreuses inconnues mais on peut tenter d’extrapoler à partir des expériences passées (LEP et LHC). On peut ainsi estimer le coût à environ 8 milliards d’euros pour le FCC-hh et à 1,5 milliards d’euros pour le FCC-ee (source ici). En termes de consommation électrique, il faut compter environ 450 MW pour le FCC-hh, ce qui représente 4 fois la consommation du LHC. C’est beaucoup mais ça reste dans le domaine du possible sous réserve de développer quelques nouvelles technologies, d’autant que le coût de construction est à distribuer sur au moins une décennie et à répartir entre tous les pays membres du CERN, soit 28 pays.

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