Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN est l'accélérateur de particules le plus puissant au monde. Au cours de ses dix années d'activité, il a conduit à des découvertes remarquables, y compris le boson de Higgs tant recherché. Le 15 janvier, une équipe internationale de physiciens a dévoilé le concept d'un nouvel accélérateur de particules qui éclipserait le LHC.

Le "Future Circular Collider" est conçu comme un successeur du LHC, et – si le feu vert était donné – cela permettrait aux physiciens de chercher des réponses à certains des plus grands mystères de la physique. Cela inclut de découvrir de quoi la grande majorité de l'univers est réellement faite ou de découvrir une physique entièrement nouvelle.

La proposition envisage un nouveau tunnel de 100 km de circonférence qui serait percé à travers la Terre, encerclant la ville de Genève et la campagne environnante. Le LHC de 27 km injecterait des particules dans le nouveau collisionneur, comme une cale d'autoroute. Cela lui permettrait à terme de heurter des particules avec des énergies environ sept fois supérieures à celles que le LHC peut gérer. Cela permettrait à ce collisionneur de créer des particules hors de portée du LHC, poussant la physique des particules profondément dans un domaine microscopique inexploré.

Portail vers un monde sombre

Le futur collisionneur circulaire est vraiment plusieurs projets en un. La première phase imagine une machine qui entre en collision des électrons avec leurs soi-disant "versions antimatière, " positons. On pense que toutes les particules ont un compagnon antimatière, pratiquement identique à lui-même mais avec une charge opposée. Quand une matière et une particule d'antimatière se rencontrent, ils s'annihilent complètement, avec toute leur énergie convertie en nouvelles particules.

L'énergie de collision d'un tel collisionneur pourrait être contrôlée très précisément. Aussi, les collisions seraient très "propres" par rapport au LHC, qui entre en collision avec des protons (particules qui composent le noyau atomique avec des neutrons). Les protons ne sont pas des particules fondamentales comme les électrons, mais des sacs aléatoires de particules plus petites comprenant des quarks et des gluons. Lorsque des protons entrent en collision, leurs entrailles sont pulvérisées partout, ce qui rend beaucoup plus difficile la détection de nouvelles particules parmi les débris.

L'objectif principal du collisionneur électron-positon serait d'étudier le boson de Higgs, la particule impliquée dans l'origine des masses des autres particules fondamentales. Le nouveau collisionneur créerait des millions de bosons de Higgs et mesurerait leurs propriétés avec des détails sans précédent.

De telles mesures de précision offrent de nombreuses possibilités de nouvelles découvertes. L'un des plus alléchants est que le Higgs pourrait servir de portail reliant le monde de la matière atomique ordinaire que nous habitons, avec un monde caché de particules qui seraient autrement indétectables. Environ 85% de toute la matière de l'univers dans l'univers est "sombre, " composé de particules que nous n'avons jamais pu voir. Nous savons seulement qu'il existe en raison de l'attraction gravitationnelle qu'il exerce sur la matière environnante. un collisionneur électron-positon pourrait révéler la désintégration du boson de Higgs en ces particules cachées.

Dans la deuxième phase, le collisionneur serait remplacé par un collisionneur proton-proton beaucoup plus puissant, atteignant des énergies de collision de 100 000 milliards d'électrons-volts. Ce serait une machine de découverte, capable de créer une vaste gamme de nouvelles particules que les physiciens soupçonnent d'être hors de portée du LHC.

En particulier, il explorerait presque complètement la gamme d'énergie où la plupart des formes de matière noire sont susceptibles de se trouver. Il serait également capable de sonder les conditions qui ont existé un billionième de seconde après le Big Bang. Ce moment de l'histoire de l'univers est crucial car il est lorsque le champ de Higgs - un champ d'énergie omniprésent dans lequel le boson de Higgs est une petite ondulation - s'est effondré dans son état actuel, c'est ce qui a généré les masses des particules fondamentales.

Comprendre comment le champ de Higgs a acquis son énergie actuelle est l'un des plus grands problèmes de physique en suspens, car il semble être incroyablement finement réglé pour permettre aux atomes - et donc aux étoiles, planètes et personnes – exister.

En tant que physicien travaillant sur l'expérience beauté LHC, J'espère personnellement que ce nouveau collisionneur pourra éventuellement nous aider à résoudre l'énigme de pourquoi l'univers est presque entièrement composé de matière et non d'antimatière.

Prix ​​élevé

La première phase du nouveau collisionneur serait mise en service dans les années 2040, après l'exécution finale du LHC modernisé. Le collisionneur proton-proton le plus puissant serait installé dans les années 2050. Les deux projets ont un prix élevé :9 milliards d'euros pour la machine électron-positon et 15 milliards d'euros supplémentaires pour le collisionneur proton-proton. Cela a suscité des critiques compréhensibles selon lesquelles l'argent pourrait être mieux dépensé ailleurs, par exemple dans la lutte contre le changement climatique.

John Womersley, un physicien senior impliqué dans le Future Circle Collider, m'a dit qu'au-delà de la valeur d'un savoir fondamental à part entière, il y aura d'autres avantages importants à court terme. Il a déclaré :« La FCC poussera le développement de technologies innovantes pour résoudre de nouveaux défis. Le World Wide Web, Le Wi-Fi et les aimants supraconducteurs des machines IRM ont tous été développés pour répondre aux besoins de la physique fondamentale. » Le projet a également un énorme pouvoir pour inspirer la prochaine génération de physiciens.

Finalement, un projet aussi ambitieux ne sera possible que grâce à une large collaboration internationale, avec le financement de dizaines de pays. Le projet comprend déjà 1, 300 contributeurs de 150 universités, instituts de recherche et partenaires industriels du monde entier. Pendant ce temps, un projet de collisionneur similaire est également envisagé par la Chine, peut-être le seul pays capable de mobiliser à lui seul les ressources nécessaires pour construire une si vaste machine.

Les partisans du Future Circular Collider espèrent que le projet sera adopté dans la nouvelle stratégie européenne pour la physique des particules, à paraître en 2020. Si accepté, il entamera un long processus de recherche et développement, mais aussi de persuader les gouvernements nationaux et le grand public que la recherche fondamentale passionnante qui pourrait être effectuée au collisionneur vaut la peine d'investir.

Les défis politiques sont sans aucun doute énormes, mais les physiciens sont déterminés à ne pas abandonner la quête d'une compréhension plus profonde de notre univers.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.