90 km de long, 15 milliards de francs d’investissement: le CERN vise la lune pour son nouvel anneau souterrain
Le Grand collisionneur de hadrons du CERN a transformé notre compréhension de l’univers. Aujourd’hui, le laboratoire européen situé en région frontalière près de Genève veut construire un instrument bien plus vaste. Un projet qui fait l’unanimité parmi les scientifiques mais pas au sein de la population.
Depuis plus de 70 ans, le laboratoire de recherche du CERN, à la périphérie de Genève, est le principal temple mondial de la physique des particules. Il repose sur la collaboration de 25 États membres, de 10 membres associés, ainsi que d’observateurs tels que les États-Unis et l’Union européenne. Il est aussi fondé sur l’idée que certaines questions sont trop vastes pour qu’un pays puisse y répondre seul. Des questions comme: de quoi l’univers est-il constitué? Pourquoi la matière existe-t-elle? Que s’est-il produit dans le tout premier instant après le Big Bang?
En 2012, cette approche a porté ses fruits. Les scientifiques du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN ont annoncé la découverte du boson de Higgs – la fameuse «particule de Dieu», qui confère leur masse aux particules fondamentales, les plus petites briques de l’univers. «Sans le boson de Higgs, nous ne serions pas là», souligne Fabiola Gianotti, qui a dirigé le CERN pendant dix ans en tant que directrice générale, jusqu’en janvier dernier.
Mais cette découverte a soulevé autant de questions qu’elle n’en a résolu. Et alors que le LHC approche des limites de ce qu’il peut révéler, le CERN prépare son projet le plus ambitieux à ce jour: un nouveau collisionneur de particules, près de quatre fois plus grand, enfoui à 200 mètres sous terre, passant sous le lac Léman et le Rhône. Baptisé Futur collisionneur circulaire (FCC), il devrait entrer en service dans les années 2040 et deviendrait le plus grand instrument scientifique jamais construit – et, selon ses promoteurs, le plus important. Son coût de construction est estimé à 15 milliards de francs suisses, et le prochain grand défi du CERN sera de réunir ces fonds dans un contexte géopolitique tendu.
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Le pari à 15 milliards du CERN dans un monde incertain
«Le FCC est extrêmement important pour la discipline, et s’il y a bien une institution capable de le réaliser, c’est le CERN», estime Maria Spiropulu, du California Institute of Technology, qui collabore avec le CERN.alifornia Institute of Technology.
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Le grand collisionneur de hadrons souffle ses 10 bougies
Ce que le boson de Higgs a laissé en suspens
«Lors de mes conférences publiques, je présente toujours huit grandes questions ouvertes en physique des particules. Et, à chaque fois, la moitié concerne le boson de Higgs», explique Mark Thomson, physicien britannique devenu directeur général du CERN en janvier. Il souhaite comprendre pourquoi les 12 particules fondamentales connues ont des masses différentes, et si le boson de Higgs lui-même doit être considéré comme une particule fondamentale. Des questions auxquelles le LHC actuel ne peut répondre avec suffisamment de précision.
D’autres physiciens s’attaquent à des mystères encore plus fondamentaux. Ben Kilminster, physicien des particules à l’Université de Zurich, s’intéresse notamment à la matière noire. «C’est un peu embarrassant d’affirmer que l’on dispose d’un modèle de toutes les particules de l’univers, sans savoir de quoi sont constitués les 80 à 85% restants», relève-t-il. À cela s’ajoute l’énigme de la prédominance de la matière sur l’antimatière après le Big Bang.
«Le FCC permettrait de s’attaquer au plus grand nombre de questions ouvertes, grâce à des tests indépendants», souligne Ben Kilminster.
Une machine pour le siècle à venir
Dans une première phase, le FCC serait ce que les physiciens appellent une «usine à Higgs»: une machine conçue pour produire un grand nombre de bosons de Higgs dans des conditions extrêmement contrôlées. Des électrons et des positrons circuleraient dans un nouvel anneau de 90,7 kilomètres de circonférence, soit plus de trois fois la taille du LHC.
«La motivation première du FCC est d’explorer en détail le boson de Higgs et de s’en servir pour sonder les facettes de l’univers que nous ne comprenons pas», explique Mark Thomson.
Dans une seconde phase, potentiellement opérationnelle dans les années 2070, le même tunnel accueillerait un collisionneur de protons capable de produire des collisions avec une énergie dix fois supérieure à celle du LHC actuel. Cette nouvelle machine pousserait les hypothèses théoriques actuelles à leurs limites et pourrait permettre de découvrir de nouvelles particules, plus lourdes. «On pourrait ainsi produire des particules ayant environ dix fois la masse des particules connues aujourd’hui», précise Ben Kilminster.
Une étude de faisabilité approuvée par le Conseil du CERN et menée par 1500 experts et expertes a confirmé la solidité du projet scientifique. Elle a examiné les objectifs scientifiques du laboratoire, la géologie de la région, ainsi que les coûts et les impacts environnementaux du nouvel accélérateur. Le Groupe de stratégie européenne, qui réunit certains des physiciens des particules les plus éminents du continent, décrit le FCC comme offrant «le programme de physique des particules de haute précision le plus complet au monde, avec un potentiel de découverte exceptionnel». Selon Mark Thomson, «un consensus clair existe au sein de la communauté: le FCC est la voie à suivre».
«Nous avons examiné toutes les options, et le FCC s’impose clairement comme la machine privilégiée sur le plan scientifique», ajoute-t-il.
Au-delà de la physique
Si le consensus scientifique en faveur du FCC est solide, ses dimensions politiques et sociétales restent débattues. Le financement de 15 milliards de francs suisses est loin d’être acquis, et l’opposition locale s’intensifie. Un réseau d’associations suisses et françaises, mené par l’ONG genevoise Noé21, mène une campagne active contre le projet. La consommation d’électricité du CERN représente déjà environ un tiers de celle de l’ensemble du canton de Genève, et la construction générerait près de 8 millions de mètres cubes de déblais. «Je comprends leurs besoins, mais cela ne signifie pas que nous devons accepter un projet qui coûtera des dizaines de milliards et polluera la région pendant des années», déclare Jean-Bernard Billeter, de Noé21.
Mark Thomson reconnaît que le projet doit encore convaincre. «Nous devons démontrer que cette machine peut être construite de manière responsable sur le plan environnemental», souligne-t-il.
Les scientifiques rappellent toutefois que les retombées des recherches menées au CERN dépassent largement le cadre du laboratoire. C’est au CERN qu’est né le Web. Les accélérateurs de particules ont permis le développement des machines de radiothérapie utilisées dans le traitement du cancer. Les sources de lumière synchrotron de haute énergie, mises au point au CERN, sont aujourd’hui des outils essentiels pour analyser de nouveaux matériaux et développer de nouveaux médicaments.
La deuxième phase du FCC devrait aussi stimuler les avancées dans les supraconducteurs à haute température, destinés aux aimants à champ élevé – une technologie aux applications directes en imagerie médicale et en énergie de fusion. «En physique des particules, nous cherchons à réaliser l’impossible, ou presque. Et, ce faisant, nous poussons nos technologies à leurs limites: tôt ou tard, des applications concrètes en émergent», résume Mark Thomson.
Avant même le lancement du FCC, la machine actuelle du CERN va connaître une transformation majeure. Le 30 juin, le Grand collisionneur de hadrons sera arrêté pour une durée de quatre ans. Sa version modernisée – baptisée High Luminosity LHC (HiLumi) – doit permettre de produire environ dix fois plus de collisions de protons que ne le prévoyait sa conception initiale, ouvrant la voie à des mesures bien plus précises du boson de Higgs, notamment de ses interactions avec lui-même, qui seront observées pour la première fois.
Les physiciens installeront de nouveaux aimants conçus à partir de matériaux supraconducteurs innovants, capables de générer des champs magnétiques de 11,3 teslas, contre 8,6 aujourd’hui. Maria Spiropulu, du Caltech, a contribué au développement d’un nouveau détecteur temporel pour l’expérience CMS, capable de distinguer des collisions espacées de seulement 30 picosecondes.
Pour Mark Thomson, cette mise à niveau marque «une nouvelle ère pour le LHC» et constitue un pont scientifique vers les projets futurs.
Texte relu et vérifié par Gabe Bullard et Veronica DeVore, traduit de l’anglais par Dorian Burkhalter/sj
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