La quête des réponses aux questions ouvertes (telles que la nature des particules fondamentales constituant la matière noire, la prédominance de la matière dans l'univers, l'origine de l'asymétrie matière-antimatière, la nature de la particule responsable de la gravité, l'énergie sombre, la masse du neutrino, etc.) auxquelles le Modèle Standard ne peut répondre, pourrait nécessiter d'explorer des pistes au-delà du Modèle Standard. Il s'agirait alors d'envisager l'existence de nouvelles particules plus légères interagissant très faiblement avec les particules du Modèle Standard, ainsi que celle de nouvelles particules plus lourdes, inaccessibles au LHC. Le futur collisionneur circulaire (FCC), actuellement proposé, permettrait de rechercher l'existence de telles particules fondamentales au-delà du Modèle Standard. Le Conseil du CERN a examiné l'étude de faisabilité du FCC. Une décision finale concernant sa construction est attendue vers 2028. Si le projet est approuvé, la construction du FCC pourrait débuter dans les années 2030. D'une circonférence d'environ 100 km, il serait situé à environ 200 mètres sous terre, à proximité du LHC, près de Genève. Il succédera au Grand collisionneur de hadrons (LHC), dont la fin de service est prévue en 2041. Le FCC sera mis en œuvre en deux phases. La première, FCC-ee, sera un collisionneur électron-positron destiné à des mesures de précision pour la recherche de particules légères, avec un programme de recherche de 15 ans à partir de la fin des années 2040. Une fois cette phase achevée, une seconde machine, le FCC-hh (haute énergie), sera mise en service dans le même tunnel. La seconde phase vise à atteindre des énergies de collision de 100 TeV (bien supérieures aux 13 TeV du LHC) pour la recherche de particules plus lourdes. Cette phase sera opérationnelle dans les années 2070 et fonctionnera jusqu'à la fin du XXIe siècle.
Les 6 et 7 novembre 2025, le Conseil du CERN (composé de délégués des États membres et associés du CERN) a examiné les résultats de l'étude de faisabilité du futur collisionneur circulaire (FCC) proposé.
Auparavant, le CERN avait mené une étude de faisabilité sur un futur collisionneur circulaire (FCC), en collaboration avec des institutions des États membres et associés du CERN et d'autres pays. Le rapport, publié le 31 mars 2025, a été examiné par les organes subordonnés du Conseil du CERN. Il a également été examiné par des comités d'experts indépendants, qui ont conclu, au vu des documents présentés, que le FCC semblait techniquement réalisable.
Les délégués du Conseil du CERN ont examiné le rapport d'étude de faisabilité du FCC les 6 et 7 novembre 2025 lors d'une réunion dédiée et ont conclu que cette étude permet de poursuivre les recherches sur le FCC. Il s'agit d'une étape importante vers une éventuelle approbation du FCC par le Conseil du CERN en mai 2026, date à laquelle toutes les recommandations lui seront présentées pour examen. Une décision finale concernant la construction du FCC par le Conseil du CERN est attendue aux alentours de 2028.
Le futur collisionneur circulaire (FCC) est l'un des collisionneurs de particules de nouvelle génération proposés au CERN. Il devrait succéder au Grand collisionneur de hadrons (LHC), dont la fin de service est prévue en 2041. Le CERN travaille actuellement à identifier le prochain collisionneur qui remplacera le LHC, son principal instrument de recherche actuel.
Mis en service en 2008, le Grand collisionneur de hadrons (LHC) est un collisionneur circulaire de 27 km de circonférence, situé à 100 m sous terre près de Genève. Il est actuellement le plus grand et le plus puissant collisionneur au monde, produisant des collisions à une énergie de 13 téraélectronvolts (TeV), soit la plus haute énergie jamais atteinte par un accélérateur. Il accélère les hadrons à une vitesse proche de celle de la lumière, puis les fait entrer en collision afin de recréer les conditions de l'Univers primordial.
| Les accélérateurs/collisionneurs de particules sont des fenêtres sur l'Univers primordial |
| L’expression « Univers primordial » désigne la phase la plus ancienne de l’Univers (les trois premières minutes suivant le Big Bang), lorsqu’il était extrêmement chaud et que le rayonnement y régnait en maître. L’époque de Planck est la première époque de l’ère du rayonnement, qui s’étend du Big Bang à 10⁻⁵ Å.- 43 s. Avec une température de 1032 L'univers était extrêmement chaud à cette époque. L'époque de Planck a été suivie des époques des quarks, des leptons et nucléaire ; toutes furent de courte durée mais caractérisées par des températures extrêmement élevées qui diminuèrent progressivement avec l'expansion de l'univers. L'étude directe de cette phase primordiale de l'univers est impossible. En revanche, il est possible de recréer les conditions de cette phase dans des accélérateurs de particules. Les données issues des collisions de particules dans ces accélérateurs/collisionneurs offrent un aperçu indirect de l'univers primordial. Les collisionneurs sont des outils de recherche essentiels en physique des particules. Ce sont des machines circulaires ou linéaires qui accélèrent les particules à des vitesses très élevées, proches de celle de la lumière, et leur permettent d'entrer en collision avec une autre particule venant de la direction opposée ou avec une cible. Les collisions génèrent des températures extrêmement élevées, de l'ordre de plusieurs billions de kelvins (similaires aux conditions qui régnaient aux premières époques de l'ère du rayonnement). Les énergies des particules en collision s'additionnent, ce qui explique l'énergie de collision plus élevée. L'énergie de collision se transforme en matière sous forme de particules existant dans l'univers primordial, conformément à la symétrie masse-énergie. Par exemple, lorsque les électrons, particules subatomiques, entrent en collision avec leurs antiparticules, les positrons, matière et antimatière s'annihilent et de l'énergie est libérée. Diverses nouvelles particules élémentaires se condensent à partir de cette énergie. Parmi ces nouvelles particules, on peut citer le boson de Higgs ou le quark top, des constituants subatomiques très lourds de la matière. Il est également possible que des particules de matière noire et des particules supersymétriques existent, mais restent encore à découvrir. Ces interactions entre particules de haute énergie, dans les conditions qui régnaient dans l'Univers primordial, nous ouvrent des fenêtres sur le monde autrement inaccessible de cette époque. L'analyse des produits de ces collisions enrichit notre compréhension des particules fondamentales et nous permet d'appréhender les lois qui régissent la physique. Les accélérateurs de particules sont utilisés comme outils de recherche pour l'étude de l'Univers primordial. Les collisionneurs de hadrons (en particulier le Grand collisionneur de hadrons, LHC, du CERN) et les collisionneurs électron-positron sont à la pointe de l'exploration de l'Univers primordial. Les expériences ATLAS et CMS menées auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC) ont permis la découverte du boson de Higgs en 2012. (Source: Des collisionneurs de particules pour étudier « l’univers très primitif » : démonstration d’un collisionneur de muons) |
Le Grand collisionneur de hadrons à haute luminosité (HL-LHC) du CERN augmentera les performances du LHC en accroissant le nombre de collisions, ce qui permettra d'étudier plus en détail les mécanismes connus. Il devrait être opérationnel d'ici 2029.
Le futur collisionneur circulaire (FCC), projeté, serait un collisionneur de particules plus performant que le Grand collisionneur de hadrons (LHC). Conçu pour explorer l'existence de nouvelles particules plus lourdes, inaccessibles au LHC, ainsi que l'existence de particules plus légères interagissant très faiblement avec les particules du Modèle standard, le FCC aurait une circonférence d'environ 100 km et serait situé à environ 200 mètres sous terre, à proximité du LHC. S'il est approuvé, sa construction pourrait débuter dans les années 2030.
Le FCC sera mis en œuvre en deux étapes. La première, FCC-ee, sera un collisionneur électron-positron destiné aux mesures de précision. Elle proposera un programme de recherche de 15 ans à partir de la fin des années 2040. Une fois cette étape achevée, une seconde machine, le FCC-hh (haute énergie), sera mise en service dans le même tunnel. Son objectif est d'atteindre des énergies de collision de 100 TeV en faisant entrer en collision des hadrons (protons) et des ions lourds. Le FCC-hh sera opérationnel dans les années 2070 et fonctionnera jusqu'à la fin du XXIe siècle.
Pourquoi la FCC est-elle nécessaire ? À quoi servira-t-elle ?
L'univers observable tout entier, y compris toute la matière ordinaire baryonique qui nous constitue, ne représente que 4.9 % de l'énergie-masse de l'univers. La matière noire, invisible, en constitue 26.8 % (les 68.3 % restants étant de l'énergie noire). La nature exacte de la matière noire demeure inconnue. Le Modèle Standard (MS) de la physique des particules ne reconnaît aucune particule fondamentale possédant les propriétés requises pour être de la matière noire. On pense que des « particules supersymétriques », partenaires des particules du Modèle Standard, pourraient constituer la matière noire. Il est également possible qu'il existe un monde parallèle de matière noire. Les WIMP (particules Massives Interagissant Faiblement), les axions et les neutrinos stériles sont des particules hypothétiques « au-delà du Modèle Standard » (MSS) qui figurent parmi les candidats les plus prometteurs. Cependant, aucune de ces particules n'a encore été détectée. De nombreuses autres questions restent sans réponse (comme l'asymétrie matière-antimatière, la gravité, l'énergie noire, la masse des neutrinos, etc.) et le Modèle Standard ne peut les résoudre. De plus, le rôle du champ de Higgs dans l'évolution de l'univers a commencé à être débattu suite à la découverte du boson de Higgs en 2012 par les expériences ATLAS et CMS au Grand collisionneur de hadrons (LHC).
Les réponses possibles aux questions ouvertes ci-dessus se situent au-delà du Modèle Standard de la physique des particules. Il pourrait être nécessaire d'explorer l'existence de nouvelles particules plus légères interagissant très faiblement avec les particules du Modèle Standard. Ceci exigera une collecte de données massive et une très grande sensibilité aux signaux de production de telles particules, ce qui est l'objectif de la première phase du FCC, à savoir le FCC-ee (mesures de précision). Il est également impératif d'explorer l'existence de nouvelles particules plus lourdes, ce qui nécessitera des installations à haute énergie. Le FCC-hh (haute énergie), la deuxième phase du FCC, vise à atteindre des énergies de collision de 100 TeV (bien supérieures aux 13 TeV du LHC). Concernant la forme du collisionneur électron-positron (e+e-) de la première phase, la forme circulaire a été privilégiée (par rapport à une forme linéaire) car elle permet une luminosité plus élevée, jusqu'à quatre expériences, et offre l'infrastructure nécessaire au collisionneur de hadrons à haute énergie de la deuxième phase.
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Références:
- CERN. Communiqué de presse – Le Conseil du CERN examine l’étude de faisabilité d’un collisionneur de nouvelle génération. 10 novembre 2025. Disponible sur https://home.cern/news/press-release/accelerators/cern-council-reviews-feasibility-study-next-generation-collider
- CERN. Communiqué de presse – Le CERN publie un rapport sur la faisabilité d'un futur collisionneur circulaire. 31 mars 2025. Disponible sur https://home.cern/news/news/accelerators/cern-releases-report-feasibility-possible-future-circular-collider
- L'étude de faisabilité du futur collisionneur circulaire est maintenant finalisée. https://home.cern/science/cern/fcc-study-media-kit
- Futur collisionneur circulaire https://home.cern/science/accelerators/future-circular-collider
- FCC : le cas de la physique. 27 mars 2024. https://cerncourier.com/a/fcc-the-physics-case/
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Quelques vidéos éducatives sur la FCC :
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 that the Standard Model cannot address, one may need to look beyond the Standard Model of particle physics and explore the possible existence of new, lighter particles that interact very weakly with Standard Model particles, as well as explore the existence of new, heavier particles beyond the reach of existing LHC facility. The proposed Future Circular Collider (FCC) would make it possible to search for the existence of such fundamental particles beyond the Standard Model.){kind=link}