Accelerators | Future Circular Collider

background

Le projet FCC prévoit la construction d’un nouveau tunnel circulaire de 91 km de circonférence à la frontière franco-suisse, autour du CERN, qui pourrait abriter une nouvelle infrastructure de recherche en physique des particules.

Ce nouveau tunnel abriterait dans un premier temps un collisionneur électron-positon (FCC-ee) permettant de mesurer avec précision les propriétés du boson de Higgs et d’autres particules du Modèle standard. Viendrait ensuite un collisionneur de protons (FCC-hh), capable d’atteindre des énergies de collision de 100 TeV ou plus (soit huit fois l’énergie du LHC) à la faveur de travaux de développement en matière d’aimants supraconducteurs et d’aimants magnétiques.

Le projet FCC validera de manière durable les paramètres essentiels à la réalisation des accélérateurs de particules, et ouvrira des perspectives de codéveloppement avec l’industrie s’agissant des technologies requises, pour des applications au-delà de la physique des hautes énergies s’inscrivant dans la continuité des précédents projets de « méga-sciences ».

Avec le soutien du projet FCCIS financé par le programme européen Horizon 2020, le projet FCC a initié une étude de faisabilité. Celle-ci a pour but de conduire à l’élaboration d’une feuille de route pour la conception et la mise en œuvre d’une nouvelle infrastructure de recherche visant à explorer les frontières de l’énergie et de la précision d’ici la fin du XXI^e siècle.

FCC-ee
FCC-hh
FCC-int

FCC-ee: le collisionneur de leptons de haute intensité

Le collisionneur circulaire de leptons proposé (FCC-ee) est une usine à Higgs et de production électrofaible haute luminosité et un collisionneur électron-positon à la frontière des hautes énergies, d’une puissance allant de 80 à 400 GeV. L’environnement limpide d’un collisionneur circulaire de leptons permettra d’étudier avec précision les particules Z, W, Higgs et top, avec des échantillons de millions de millions (5 x 10¹²) de bosons Z, 10⁸ paires de W et des millions (10⁶) de bosons de Higgs et de paires de quark top. Le riche programme des possibilités de physique du FCC regroupe un ensemble de mesures de précision, l’étude de la sensibilité des particules faiblement couplées et des études de processus rares. Toutes ces recherches modèleront le nouveau visage de la physique des particules pendant de nombreuses décennies.

Plusieurs constatations expérimentales nécessitent une extension du Modèle standard, en particulier : la prévalence de la matière sur l’antimatière dans l’Univers ; les indications de l’existence de la matière noire tirées d’observations astronomiques et cosmologiques, et la faible masse des neutrinos (environ 10⁻⁷ fois plus petite que celle de l’électron). Les réponses possibles à ces questions semblent appeler l’existence de nouvelles particules ou de nouveaux phénomènes pouvant apparaître dans un immense éventail d’échelles de masses et de forces de couplage. Dans le passé, la découverte de nouvelles particules, avant leur observation, a souvent été guidée par des prédictions fondées sur un long cheminement expérimental et théorique. Dans ce contexte, une amélioration de la précision de certains observables électrofaibles, associée à d’autres mesures de précision des propriétés du boson de Higgs, du quark top, du lepton tau et des hadrons comportant les quarks charme et beauté, pourrait jouer un rôle crucial en intégrant la sensibilité à un vaste éventail de possibilités de nouvelle physique. L’environnement limpide et les hautes luminosités du FCC-ee offriront une sensibilité inédite aux signes d’une nouvelle physique, qui pourraient avoir la forme d’écarts infimes avec le Modèle standard, de processus de désintégration interdits ou de production de nouvelles particules ayant des couplages très faibles.

Chacun des principaux « ingrédients » du FCC-ee a déjà été testé grâce à un ou plusieurs des précédents collisionneurs ou installations d’essais. Ces éléments éprouvés incluent, par exemple : la dimension verticale du spot et les émittances transversales des faisceaux, les énergies de photons du rayonnement synchrotron et la puissance du rayonnement synchrotron par unité de longueur, la charge des paquets, le principe de collision « crab waist », le système de radiofréquence et le taux de production des positons. L’un des grands avantages des collisionneurs de leptons circulaires, tels que le FCC-ee, est la possibilité d’avoir plusieurs points d’interaction, avec un gain global net à la fois sur le plan de la luminosité intégrée et sur celui de la luminosité par unité de consommation d’énergie.

Les activités de R&D en cours pour le FCC-ee se concentrent sur des technologies rentables et économes en énergie, à savoir : d’une part, des cavités radiofréquence (RF) supraconductrices robustes et hautement performantes, des coupleurs RF haute puissance et des sources RF efficaces et, d’autre part, des aimants pour arcs deux-en-un innovants de faible consommation et peu coûteux.
FCC-hh: Le collisionneur de hadrons à la frontière des hautes énergies

Le collisionneur FCC-hh sera un collisionneur de hadrons de 100 TeV, qui permettra d’atteindre un niveau de luminosité intégrée au moins cinq fois plus élevé que celui obtenu avec le LHC. Son énergie de collision dans le centre de masse, d’un niveau jamais atteint, fera du FCC-hh un instrument unique pour étudier la physique au-delà du Modèle standard.

Le FCC-hh permettra de repousser les frontières de l’énergie de presque un ordre de grandeur, donnant ainsi potentiellement accès à une exploration directe de la région des TeV. Cette performance rendra possible l’étude précise de l’autocouplage du Higgs, ainsi que des recherches sur les dynamiques de la brisure de la symétrie électrofaible à l’échelle du TeV, ce qui permettra d’élucider la nature de la transition de phase électrofaible. En outre, l’interaction entre les phases du FCC-ee et du FCC-hh est essentielle à l’obtention d’un large spectre de nouvelles mesures du Higgs. Grâce au FCC-hh, nous aurons également une réponse définitive à la question du paradigme des WIMP, car des candidats thermiques à la matière noire seront soit découverts soit écartés. Enfin, en s’appuyant sur les enseignements du FCC-ee, ce collisionneur pourrait nous donner accès à de nouvelles particules, dont l’existence pourrait être indirectement prédite par des mesures de précisions réalisés lors de la phase FCC-ee.

La configuration du FCC-hh est cohérente avec celle du FCC-ee et a été conçue de manière à permettre l’intégration fluide du complexe d’accélérateurs existant du CERN. En outre, il pourrait accueillir jusqu’à quatre expériences, comme le LHC aujourd’hui.

Grâce à un programme de R&D spécialisé, les technologies du FCC-hh pourront atteindre le niveau de préparation nécessaire et un meilleur niveau de performance, et permettre une production durable à grande échelle.

Parmi les principales technologies utilisées par un collisionneur linéaire, on trouve celles des aimants à champ élevé et des supraconducteurs. Le relèvement de la luminosité du LHC (projet HL-LHC), grâce à plusieurs dizaines d’aimants d’un champ magnétique maximal de 11–12 T, représente un pas important dans cette direction. Pour le FCC-hh, plusieurs configurations d’aimants de 16 T et de matériaux supraconducteurs innovants sont actuellement testées, avec des options pour des supraconducteurs à haute température critique. Parmi les autres technologies importantes, on trouve une infrastructure de réfrigération cryogénique à haute efficacité énergétique, utilisant des liquides de refroidissement innovants et un système de distribution haute fiabilité. Enfin, l’optimisation du transfert de faisceau haute puissance et la récupération locale de l’énergie des aimants font partie des technologies qui amélioreraient la performance des machines et trouveraient des applications au-delà de la physique des particules.

À lui seul, le projet FCC-hh servira la communauté mondiale de la physique pendant environ 25 ans. Associé au collisionneur de leptons (FCC-ee), il pourrait alimenter un programme de recherche mondial de plusieurs décennies, jusqu’à la fin du XXI^e siècle.
Le programme FCC intégré

L’approche la plus efficace et la plus complète pour explorer les questions non élucidées de la physique des particules moderne consiste à suivre un programme de recherche en plusieurs étapes intégrant, l’un après l’autre, des programmes de collision de leptons (FCC-ee) et de hadrons (FCC-hh). Une telle démarche permettra de parvenir à une compréhension exhaustive du Modèle standard et de la brisure de la symétrie électrofaible, et d’optimiser le potentiel de découverte de phénomènes au-delà du Modèle standard.

Le FCC se positionne comme le digne successeur du LHC, un collisionneur puissant qui ferait fructifier l’héritage du boson de Higgs. Il élargirait l’éventail des propriétés mesurables du Higgs, permettant ainsi de déterminer de manière plus sûre et indépendante des modèles ses couplages avec d’autres particules. D’autre part, l’association d’une meilleure précision et d’une énergie supérieure offre un cadre dans lequel ces deux axes d’exploration (directe et indirecte) d’une nouvelle physique se complètent et contribuent ensemble à caractériser la nature des possibles découvertes. En outre, cette nouvelle infrastructure de recherche permettrait de mener un certain nombre d’expériences de physique, notamment sur les collisions d’ions lourds et sur la diffusion électron-proton (FCC-ee), qui sont impossibles à réaliser avec des collisionneurs linéaires.

L’approche par étapes du projet FCC permettra de disposer du temps nécessaire pour mettre au point les nouvelles technologies indispensables à la construction d’un collisionneur de hadrons de la plus haute énergie, qui soit durable et rentable financièrement et énergétiquement. Ce projet intégré prend appui sur le complexe de machines déjà existant au CERN, notamment le HL-LHC, ses infrastructures et ses pré-accélérateurs. Ces derniers pourront servir d’injecteurs pour le FCC-ee et le FCC-hh. Le fait de pouvoir tirer parti d’infrastructures et de services organisationnels et administratifs préexistants et adaptés à des projets de recherche technologique de grande échelle est la clé de la réussite d’un projet de si grande envergure.

Déjà utilisée pour le LEP puis pour le LHC, cette approche permet de maîtriser les risques techniques et financiers sans contraintes artificielles. Elle renforce et élargit la position de chef de file de l’Europe dans les domaines de la physique des particules et de la physique des hautes énergies pour les prochaines décennies.

Enfin, cette nouvelle infrastructure de recherche aurait des retombées socioéconomiques considérables, en servant la communauté internationale, en collaboration étroite avec des partenaires industriels, et offrant des formations à tous les niveaux d’éducation pendant plusieurs décennies.

Calendrier

Le projet FCC intégré propose un programme de recherche sur plus de 70 ans, soit jusqu’à la fin du XXI^e siècle.

Text