Des physiciens ont effectué des progrès significatifs dans la planification du Future Circular Collider (FCC), le successeur prévu du Grand collisionneur de hadrons (LHC). Ce nouvel accélérateur, surnommé le broyeur d’atomes, surpassera le LHC tant en taille qu’en puissance. Son objectif principal sera de sonder la physique fondamentale à des énergies beaucoup plus élevées, ce qui pourrait permettre d’enquêter sur des énigmes telles que l’énergie noire et la matière noire.
Sonder le comportement de la matière dans des conditions extrêmes
Les accélérateurs de particules sont des installations de recherche qui accélèrent des particules subatomiques, telles que des protons ou des électrons, à des vitesses proches de celle de la lumière. Ces particules accélérées sont ensuite dirigées vers des cibles ou amenées à entrer en collision les unes avec les autres. L’objectif est d’étudier les interactions entre ces particules à des énergies élevées, permettant ainsi aux scientifiques de mieux comprendre la structure fondamentale de la matière.
Pour opérer, les accélérateurs utilisent des champs électriques et magnétiques qui vont accélérer les particules. Les particules sont d’abord produites, généralement à partir de sources comme des atomes ou des molécules de gaz. Dans le cas du LHC et du FCC, les particules accélérées sont des protons. Ces particules sont ensuite injectées dans une séquence d’accélérateurs, généralement appelée un anneau, où elles subissent des accélérations successives à chaque passage.
Les aimants supraconducteurs sont des composants essentiels de ces accélérateurs. Ils génèrent des champs magnétiques intenses nécessaires pour courber la trajectoire des particules chargées. La supraconductivité permet à ces aimants de fonctionner sans résistance électrique, ce qui minimise ainsi les pertes d’énergie et permet d’atteindre des énergies plus élevées.
Une fois que les particules ont atteint des énergies suffisamment élevées, elles sont dirigées vers des détecteurs ou amenées à entrer en collision les unes avec les autres. Les détecteurs enregistrent les résultats de ces collisions, fournissant des données précieuses sur les particules impliquées et les processus qui se produisent à des énergies extrêmes.
Un futur monstre de la physique
Le LHC et le FCC, son successeur, fonctionnent sur le même principe, mais le FCC sera beaucoup plus puissant. Sa capacité théorique de 100 TeV comparée aux 13 TeV du LHC signifie que les particules seront en effet accélérées à des énergies bien supérieures, ce qui offrira ainsi une meilleure résolution pour explorer des phénomènes encore inconnus de la physique des particules.
Si les découvertes révolutionnaires du LHC, telles que la confirmation du boson de Higgs, ont permis de consolider le modèle standard de la physique des particules, certaines valeurs aberrantes de ce modèle, comme la matière noire et l’énergie noire, demeurent en effet des mystères complexes.
95% de l’Univers nous échappe
Pour rappel, la matière noire est une forme de matière qui ne rayonne pas, n’absorbe pas et n’émet pas de lumière. En d’autres termes, elle n’interagit pas avec la lumière électromagnétique, ce qui la rend invisible et indétectable par les méthodes traditionnelles d’observation astronomique. Les observations cosmologiques suggèrent cependant que la matière noire constitue une grande partie de la masse totale de l’Univers. Son existence y est en effet inférée par ses effets gravitationnels sur la matière visible, tels que la rotation des galaxies et la formation de structures à grande échelle.
L’énergie noire est quant à elle une forme d’énergie hypothétique qui remplit l’espace et exerce une pression négative, conduisant à une accélération de l’expansion de l’Univers. Contrairement à la matière noire, l’énergie noire n’aurait pas de composants matériels. Elle serait associée à l’énergie du vide de l’espace lui-même.
En d’autres termes, la matière noire est une forme de matière invisible qui influence la dynamique gravitationnelle, tandis que l’énergie noire est une forme d’énergie qui semble conduire à l’accélération de l’expansion de l’univers. Les deux constituent une grande partie de l’Univers. L’énergie noire représenterait en effet environ 68 % de son énergie et de sa matière, tandis que la matière noire en représente environ 27 %. Cela signifie que 95% de ce qui compose l’Univers nous échappe complètement. Le FCC sera ainsi conçu pour explorer ces questions en offrant des collisions à des énergies beaucoup plus élevées.
Encore un peu de patience
Notez que bien que la construction du FCC soit planifiée en deux étapes (FCC-ee et FCC-hh), l’ensemble du projet représente un investissement considérable.
La première étape du FCC-ee est estimée à environ dix-sept milliards de dollars. La décision finale sur la construction du FCC sera prise en 2028, après l’achèvement de l’étude de faisabilité en 2025. S’il est approuvé, le FCC devrait commencer sa construction au milieu des années 2030, avec une première phase opérationnelle prévue pour 2045.
