CERN Accélérateur de science

L’étude sur un Futur collisionneur circulaire (étude FCC) a pour but la conception de collisionneurs de particules haute performance qui pourraient succéder au LHC après la fin de son exploitation à haute luminosité.

L'étude de faisabilité du FCC en cours, dont l'achèvement est prévu en 2025, vise à déterminer la viabilité technique et financière du FCC au CERN, en s'intéressant en particulier aux aspects géologiques, à l'impact environnemental, à la conception des infrastructures, au génie civil et aux détecteurs, ainsi qu'à la R&D sur les technologies devant assurer l'efficience et la durabilité des collisionneurs proposés.

On prévoit un nouveau tunnel d'une circonférence de 90,7 km, d'une profondeur moyenne de 200 m, et huit sites en surface pour au plus quatre expériences. Le tunnel abriterait initialement le FCC-ee, un collisionneur électron-positon permettant des mesures de précision dans le cadre d’un programme de recherche mené sur une période 15 ans à compter du milieu de la décennie 2040. Une deuxième machine, le FCC-hh, serait alors installée dans le même tunnel, réutilisant ainsi l'infrastructure existante, comme lorsque le LHC a remplacé le LEP. Le FCC-hh vise à atteindre des énergies de collision de 100 TeV, en faisant entrer en collision des protons et également des ions lourds ; il pourrait être en service jusqu'à la fin du XXI^esiècle. 

Calendrier indicatif :

• 2025 : achèvement de l’étude de faisabilité du FCC
• 2027–2028 : décision des États membres du CERN et des partenaires internationaux
• Décennie 2030 : début de la construction
• Milieu de la décennie 2040 : le FCC-ee entre en service pour une durée d'environ 15 ans
• Décennie 2070 : le FCC-hh entre en service pour une durée d'environ 25 ans 

Rappel historique : la proposition scientifique du LHC a été présentée en 1984 ; il a fallu 10 ans pour que le projet soit approuvé, et 25 ans pour que les aimants soient développés et installés.

Justification scientifique

La découverte du boson de Higgs a conduit à de nouvelles questions : quel a été le rôle du boson de Higgs dans le Big Bang, et comment a-t-il influencé l'évolution de l'Univers ? Le boson de Higgs peut-il apporter des réponses sur certains points que le Modèle standard ne sait pas expliquer, comme la matière noire et l'excédent de matière par rapport à l'antimatière ? La réponse à ces questions peut se trouver dans une grande diversité de scénarios de physique au-delà du Modèle standard. Certains scénarios supposent l'existence de nouvelles particules plus lourdes, hors d'atteinte du LHC, accessibles par des installations atteignant des énergies plus élevées. D'autres supposent l'existence de particules plus légères interagissant très faiblement avec les particules du Modèle standard, et dont la détection suppose d'énormes quantités de données, et une grande sensibilité des détecteurs pour des signaux difficiles à percevoir. Grâce aux avancées considérables en matière de sensibilité et de précision qu'apporterait le FCC-ee, et, ultérieurement, à l'énergie largement supérieure à celle du LHC qu'atteindrait le FCC-hh, le programme FCC donnerait aux physiciens la possibilité d'explorer complètement ce panorama.

Le CERN dispose de plusieurs options pour de futurs collisionneurs, circulaires ou linéaires. Étant donné la légèreté du boson de Higgs et l'absence à ce jour de découverte d'autres nouvelles particules élémentaires au LHC, les collisionneurs circulaires e+e- sont des options séduisantes par rapport aux machines linéaires. Ces machines offriraient une luminosité notablement supérieure et pourraient accueillir jusqu'à quatre expériences, tout en constituant une infrastructure pour un collisionneur d'hadrons ultérieur.

Pour en savoir plus : voir « FCC: The Physics Case » (en anglais) dans la revue CERN Courier.

Génie civil

La durabilité est un axe majeur des études de génie civil relatives au FCC. Les activités de construction de l'accélérateur produiraient environ 16,4 millions de tonnes de matériaux d'excavation sur une période de cinq ans.

Dans ce contexte, le concours « Mining the Future » a été l'occasion de mettre au point des techniques crédibles et innovantes de réutilisation de molasse : utilisation du calcaire pour la production de béton et la stabilisation des constructions dans le cadre du projet, réutilisation des matériaux d'excavation comme remblais pour des carrières et des mines, transformation de molasse stérile en sol fertile pour l'agriculture et l'exploitation forestière, production de briques à partir de molasse comprimée et développement de matériaux de construction innovants à base de molasse à intégrer dans le projet là où c'est possible techniquement.

La prochaine étape consistera à mettre en place un pilote de « laboratoire à ciel ouvert » pour démontrer les techniques de séparation présentées par le consortium gagnant, et à collaborer avec les États hôtes du CERN et d'autres parties prenantes pour identifier des sites adaptés pour leur utilisation.

De plus, l'étude de faisabilité du FCC vise à réduire au maximum l'empreinte carbone pendant la construction et à optimiser les systèmes de transport entre sites.

Eau

Une nouvelle évaluation a montré que les besoins en eau maximum pendant l'exploitation du FCC-ee à l'énergie la plus élevée (350 GeV) peuvent être ramenés à moins de 3 millions de m³ par an, soit environ les besoins en eau actuels du LHC.