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Au LHC, en dix ans, le paysage de la physique des particules a beaucoup évolué. Aujourd’hui, le programme intégré de collisionneur circulaire – qui comprend un collisionneur de leptons (FCC-ee) et un collisionneur de hadrons (FCC-hh) – promet d’être le programme de physique des particules le plus ambitieux à l’aune des technologies disponibles.
Un aperçu complet du potentiel de physique du FCC est présenté dans les volumes 1 à 3 du Rapport préliminaire de conception du FCC (FCC CDR), téléchargeables ICI.
Quelles sont les interactions fondamentales?
Presque tout ce qu’on observe de l’Univers est régi par quatre interactions fondamentales. Ces interactions permettent d’expliquer par exemple la forme et la structure d’une galaxie, dues au mouvement précis des différentes particules, elles-mêmes soumises aux lois de la gravité, ou encore la structure de la molécule d’eau, obéissant aux principes de la mécanique quantique, qui définit les lois selon lesquelles s’organisent les liaisons chimiques.
À ce jour, nous connaissons quatre forces fondamentales : l’électromagnétisme, la gravité, la force nucléaire forte et la force faible. Ces forces déterminent la manière dont les particules fondamentales interagissent pour former des particules plus lourdes et comment celles-ci se désintègrent.
Au-delà du Modèle standard...
Le Modèle standard de la physique des particules est le reflet le plus exact de notre connaissance des particules élémentaires. Il décrit un Univers constitué de six types de quarks et de six types de leptons, liés ensemble par trois forces fondamentales : la force forte, la force faible, et la force électromagnétique. Le Modèle standard décrit ces trois interactions fondamentales en recourant à un certain nombre de particules médiatrices (appelées bosons). Pour l’interaction forte, il s’agit des gluons, pour l’interaction faible, des bosons W-, W+ et Z, et pour l’électromagnétisme, des photons.
La clé de voûte du Modèle standard est le boson de Higgs. Cette particule est en effet l’illustration tangible du phénomène par lequel toutes les autres particules élémentaires acquièrent leur masse. Elle a été découverte au LHC en 2012, près de cinquante ans après avoir été décrite par la théorie. Comprendre ses propriétés fondamentales est l’un des objectifs des expériences qui seront menées grâce aux futurs collisionneurs.
La découverte du boson de Higgs à 125 GeV jette de nouvelles bases pour la physique des particules. Cependant, de nombreuses questions restent irrésolues, la plupart étant liées au secteur du Higgs et aux propriétés de la particule récemment découverte.
Que nous reste-t-il à découvrir à propos du boson de Higgs ?
Le boson de Higgs, découvert en 2012 au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, explique comment les particules les plus élémentaires acquièrent leur masse en interagissant avec le champ de Higgs, présent dans tout notre Univers. Il s’agit du dernier élément qui manquait au Modèle standard, et sa découverte va permettre de mieux comprendre l’origine de la masse. Son étude pourrait également contribuer à élucider certains mystères qui persistent à propos de l’origine et de l’évolution de notre Univers.
Prédit pour la première fois en 1964 par Robert Brout, François Englert et Peter Higgs, le boson de Higgs est la seule particule élémentaire scalaire observée à ce jour. Cela signifie que, d’après nos connaissances actuelles, le Higgs ne possède ni spin, ni charge, ni structure interne.
Le boson de Higgs est la première particule avec un spin nul que nous ayons observée dans la nature. Il possède une autre propriété unique : il interagit avec lui-même. Cette particule unique promet donc un programme passionnant de mesures et de recherches de précision.
Etendre les frontières de l'intensité et de l'énergie
La physique des particules est arrivée à un moment important de son histoire. La découverte d'un boson de Higgs léger - d'une masse de 125 GeV - ouvre une nouvelle phase d'exploration de la physique au-delà du Modèle standard. La physique des particules doit poursuivre ses recherches, de la manière la plus large possible, en améliorant notablement la sensibilité, la précision et la gamme d'énergies.
Un futur collisionneur circulaire électron-positon (FCC-ee) mis en œuvre par étapes, de 90 à 360 GeV, permettra d'étudier de manière approfondie les interactions des quatre particules les plus lourdes connues aujourd'hui (c'est-à-dire les bosons Z et W, le boson de Higgs et le quark top).
Le FCC-ee offrira des conditions idéales (luminosité, étalonnage de l’énergie, etc.) pour l'étude de ces particules avec une multitude de possibilités pour des mesures de précision, la recherche de processus rares ou interdits, et la découverte éventuelle de particules faiblement couplées. Le FCC-ee sera également le tremplin idéal pour un collisionneur de protons de 100 TeV (FCC-hh), dont il fournira une grande partie de l'infrastructure.
Les programmes de physique de ces deux machines, complémentaires et synergiques, correspondent à une vision à long terme extrêmement ambitieuse, qui s’inscrit dans la stratégie européenne 2020 pour la physique des particules.
À la recherche de la matière noire
Pourquoi les scientifiques pensent-ils que la matière noire prédomine dans l’Univers ? Les observations astronomiques d’autres galaxies dans les années 1990 ont indiqué que l’Univers contenait plus de matière que ce que l’on peut observer. La matière que nous connaissons, qui constitue toutes les étoiles et les galaxies, ne représente en effet que 5 % du contenu de l’Univers. Celui-ci est aussi constitué à 27 % de matière noire, et c’est cette matière, avec ses effets gravitationnels, qui tient ensemble les galaxies et les amas de galaxies.
La matière ordinaire, également appelée matière baryonique, est composée de protons, de neutrons et d’électrons ; elle est décrite par le Modèle standard de la physique des particules. L’origine de la matière noire est souvent présentée dans des théories de physique dépassant le cadre du Modèle standard, telles que celles de la supersymétrie et des dimensions supplémentaires. Cette matière noire pourrait être faite de particules qui restent encore à découvrir.
Aucune expérience, qu’elle fasse appel à des collisionneurs ou à d’autres instruments, ne peut explorer toute la gamme des masses possibles pour la matière noire d’après les observations astrophysiques. Cependant, il existe une grande diversité de modèles pour lesquels la théorie justifie des candidats à la matière noire ayant des masses de l'ordre de quelques GeV à quelques dizaines de TeV. Le FCC permettra d’innover s’agissant de la recherche de matière noire sous la forme de particules massives à faible interaction, car il couvrira un large éventail de signaux potentiels résultant, d’après la théorie, soit de la production de matière noire, soit de la production de particules porteuses des interactions entre matière noire et matière ordinaire. Le FCC-ee et le FCC-hh offriront des moyens complémentaires de rechercher de la matière noire qui pourrait être constituée de particules plus légères (par exemple des neutrinos stériles) ou qui pourrait être produite dans les désintégrations du boson de Higgs.
Pourquoi les neutrinos ont-ils une masse ?
L’une des questions fondamentales que l’on se pose aujourd’hui, et dont la réponse n’est pas apportée par le Modèle standard, concerne la manière dont les neutrinos acquièrent leur masse.
Les expériences sur les neutrinos réalisées pendant la première décennie du XXIe siècle ont apporté les premières preuves d’un phénomène appelé « oscillation du neutrino », qui suppose que les neutrinos ont une masse faible. Cette découverte constitue une première brèche dans le Modèle standard, qui prédisait que les neutrinos étaient dépourvus de masse. En 2015, Takaaki Kajita et Arthur B. McDonald ont reçu le prix Nobel de physique pour leurs « contributions essentielles aux expériences qui ont démontré que les neutrinos changent d’identité ».
Cette découverte ne suffit toutefois pas à faire voler en éclat le Modèle standard, car nous ne savons pas ce qui génère la faible masse des neutrinos. Le collisionneur FCC-ee offre une chance unique de faire la lumière sur cette question. La masse des neutrinos pourrait être générée par leurs partenaires lourds, les leptons neutres lourds qui, s’ils existent, seront produits par la désintégration de bosons Z. Pendant la première phase de son exploitation, le FCC-ee produira des milliards de bosons Z, ce qui permettra de rechercher ces particules jusqu’à l’échelle électrofaible.
Pourquoi y a-t-il plus de matière que d’antimatière dans l’Univers ?
La prévalence de la matière sur l’antimatière est une autre bonne raison de poursuivre l’exploration de la physique des particules subatomiques. Il y a près de 14 milliards d’années, au moment du Big Bang – événement qui a donné naissance à l’Univers que nous connaissons –matière et antimatière ont été créées en quantités égales. Pourtant, aujourd’hui, l’Univers n’est plus constitué que de matière, et l’antimatière n’est visible nulle part. Où l’antimatière est-elle passée ? Cette question est l’une des plus importantes que l’on se pose encore aujourd’hui. L’origine de l’asymétrie matière-antimatière dans le cosmos est l’énigme la plus complexe que la physique des particules tente de résoudre.
Nous savons que la nature peut créer un déséquilibre matière-antimatière via ce qu’on appelle la violation de CP. Le problème, c’est que la violation de CP que nous mesurons dans les expériences actuelles est insuffisante pour expliquer l’état de notre Univers. Une explication possible de ce déséquilibre serait l’existence d’une nouvelle source d’asymétrie de CP. Le collisionneur FCC-ee sera capable de sonder de nouvelles sources de violation de CP grâce à sa luminosité intégrée inédite. Couplé au FCC-hh, le FCC devrait être en mesure d'explorer de manière concluante les nouvelles particules requises par une forte transition de phase du premier ordre qui aurait permis à la matière de prévaloir dans l'Univers.
Sur les traces de la supersymétrie après le LHC ?
Les expériences ont confirmé à plusieurs reprises le Modèle standard de la physique des particules. Cependant, le Modèle standard est incomplet. Il ne permet pas d’expliquer la matière noire, la faible masse du boson de Higgs, ou pourquoi les forces agissant entre les particules ne s'unifient pas aux hautes énergies. La supersymétrie est un prolongement du Modèle standard qui vise à combler certaines de ses lacunes.
Si de telles particules superpartenaires existent et ne sont pas trop massives, elles pourraient être révélées par l’étude des données de collision de protons enregistrées par des expériences au Grand collisionneur de hadrons (LHC).
Bien qu'aujourd'hui, aucun signe de ces particules n'ait été trouvé au LHC, la supersymétrie pourrait se manifester de différentes manières dans les collisionneurs de hadrons. Les recherches pourraient tirer parti des données fournies par le FCC, permettant de mieux distinguer les signaux des bruits de fond du Modèle standard, mais aussi d'obtenir plus d'informations pour la reconstruction des événements.