L’article de la revue Nature, intitulé " au cœur de la lutte pour construire le prochain collisionneur de particules géant" publié en mars 2025, explore en profondeur le projet du CERN de construire un nouveau collisionneur géant, le Future Circular Collider (FCC). Ce dernier remplacerait à terme le LHC et atteindrait 91 km de circonférence.

⁉️C’est quoi le FCC ?

Le FCC (Future Circular Collider) est un projet d’accélérateur de particules porté par le CERN, prévu pour succéder au LHC, le plus grand collisionneur actuel.

⁉️À quoi ça sert ?

Ce type de machine permet de faire entrer en collision des particules (comme des électrons, positrons ou protons) à des vitesses proches de celle de la lumière. Cela permet de :

➡️mieux comprendre la matière, l’univers et ses origines,
➡️explorer les limites du modèle standard de la physique,
➡️rechercher des nouvelles particules encore inconnues (comme la matière noire ou des dimensions supplémentaires).

🔍Malgré l’ambition du projet, de nombreux scientifiques expriment des réticences importantes. Plusieurs critiques émergent :

-Le coût colossal, estimé à au moins 30 milliards de dollars, suscite de vives inquiétudes.

-La durée du projet, qui pourrait s'étendre sur plusieurs décennies, risque de monopoliser les financements publics au détriment d’autres projets scientifiques prometteurs.

-Certains dénoncent un manque de concertation de la part du CERN avec la communauté scientifique internationale.

-Des alternatives technologiques, moins coûteuses et potentiellement plus réalisables à court terme, sont évoquées : collisionneur de muons, collisionneur linéaire, ou encore accélérateurs plasma.

L’article souligne également la compétition internationale, en particulier avec la Chine, qui développe un projet concurrent (le CEPC). Le risque pour le CERN serait de perdre son leadership mondial si le projet chinois se concrétise plus rapidement.

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Le laboratoire européen de physique CERN prévoit de construire un méga collisionneur d’ici 2070. Les critiques disent que le plan pourrait conduire à sa ruine. 

À la frontière franco-suisse, au siège du laboratoire européen CERN, une bataille est en cours pour l’avenir de la physique des particules. Les dirigeants du CERN veulent y construire la plus grande machine de la planète : un énorme accélérateur de particules qui ouvrirait ses portes en 2070 et qui éclipserait le Grand collisionneur de hadrons (LHC), l’installation phare actuelle du laboratoire.

Tout dans le plan est sans précédent. Le futur collisionneur circulaire (FCC), comme on l’appelle, se trouverait dans un tunnel de 91 kilomètres de circonférence, soit plus de trois fois la taille de celui du LHC. Son coût est probablement d’au moins 30 milliards de dollars et il écraserait des protons à des énergies huit fois supérieures à celles du LHC. On espère que l’expansion de cette frontière énergétique révélera des particules jamais vues auparavant qui pourraient résoudre certains problèmes urgents concernant le modèle standard – la meilleure théorie actuelle des particules et des champs fondamentaux de l’Univers – et faire la lumière sur certains des plus grands mystères de la physique, tels que la nature de la matière noire.

Les technologies pour atteindre de telles énergies ne sont pas encore prêtes. Le plan est donc de creuser le tunnel et d’y insérer une machine plus simple qui, à partir de 2045 environ, ferait entrer en collision des électrons et leurs antiparticules, appelées positrons (voir « Le plan du CERN pour un méga-collisionneur »). Ce collisionneur intermédiaire produirait et étudierait un grand nombre de particules élémentaires connues sous le nom de bosons de Higgs afin de comprendre leur rôle central dans la nature. Plus tard, cette « usine Higgs » sera démantelée.

Le plan FCC en deux étapes est soutenu par de nombreux physiciens. Il est piloté par la directrice générale du CERN, Fabiola Gianotti, et soutenu par Mark Thomson, qui doit la remplacer en janvier 2026. « S’il est approuvé, le FCC deviendrait l’instrument le plus puissant jamais construit pour étudier les lois de la nature au niveau le plus fondamental », a déclaré Gianotti dans une déclaration à Nature.

Mais beaucoup d’autres n’en sont pas satisfaits, a constaté la nature. Des entretiens avec plus de deux douzaines de chercheurs montrent que beaucoup sont critiques à l’égard de la stratégie de la FCC, parce qu’elle mettra beaucoup de temps à se concrétiser et parce que l’injection de ressources pourrait fermer la porte à d’autres idées.

« La question est de savoir si la communauté est prête à sacrifier les 50 prochaines années pour obtenir un jouet qui pourrait ou non être le moyen de [réparer] le modèle standard », explique Halina Abramowicz, physicienne des particules à l’Université de Tel Aviv en Israël. Les critiques disent également que la direction du CERN a décidé de soutenir le FCC sans consulter suffisamment la communauté.

Dans un projet aussi gigantesque et politique, qui implique des contributions financières de nombreux pays membres du CERN et l’opinion de dizaines de milliers de chercheurs, les désaccords sont inévitables. (Lors de la construction du LHC, l’Allemagne a menacé de quitter le CERN si ses exigences de réduction budgétaire n’étaient pas satisfaites.) Mais le mécontentement a atteint un niveau sans précédent, ont déclaré de nombreux chercheurs à Nature.

Il n’est pas non plus clair si les États membres du CERN paieront pour le projet. L’Allemagne a déjà déclaré qu’elle n’augmenterait pas ses contributions budgétaires. Et des projets ailleurs pourraient saper les arguments de la FCC : en particulier, la Chine décide d’approuver ou non une machine similaire.

L’année prochaine pourrait être décisive pour le plan européen de méga-collisionneurs. D’ici décembre, un groupe de travail sur la stratégie soumettra ses conclusions sur l’idée au Conseil du CERN, l’organe directeur de l’organisation. Ce qui est en jeu, ce n’est pas seulement l’expérience ambitieuse elle-même, mais aussi la vie professionnelle de générations de physiciens – et le rôle de l’Europe dans la physique des particules pour le reste du siècle.

Des décennies de collisionneurs circulaires

Le CERN a vu le jour après la Seconde Guerre mondiale dans le cadre d’un effort délibéré de recherche sur la science au service de la paix, et il est depuis lors un centre clé de recherche en physique des particules. Avec un budget annuel de près de 1,5 milliard de francs suisses (1,7 milliard de dollars) fixé par une convention internationale, et un financement de 24 États membres ainsi que de pays non membres tels que les États-Unis et le Japon, il constitue un phare pour la coopération scientifique internationale.

Pendant près de deux décennies, il a accueilli le LHC, le plus grand et le plus puissant collisionneur du monde. Le LHC lui-même a remplacé un précédent collisionneur électron-positon dans le même tunnel, appelé LEP, qui avait été construit dans les années 1980. Mais le CERN accueille de nombreuses autres expériences et programmes technologiques, notamment des travaux sur l’antimatière, les rayons cosmiques, les technologies alternatives d’accélérateur, les aimants avancés et les isotopes pour des applications médicales.

C’est au LHC qu’en 2012, Gianotti a annoncé la découverte du boson de Higgs. C’est peut-être la plus grande découverte du CERN : il ne s’agit pas d’une particule de plus, mais d’un modèle standard. La découverte du boson de Higgs a été la première preuve directe de l’existence d’un champ qui imprègne l’Univers, le champ de Higgs. Les interactions variables d’autres particules fondamentales avec ce champ expliquent pourquoi elles ont des masses différentes.

Le LHC n’a pas réussi à surpasser ce moment. Le boson de Higgs a été secoué par l’écrasement de protons à haute énergie, mais le collisionneur n’a jusqu’à présent pas permis de faire d’autres découvertes très attendues, comme la nature de la matière noire. Alors que la fin de vie du LHC est prévue pour 2040, les pensées concernant son successeur couvent depuis les années 2010.

Le modèle standard ne peut pas expliquer la matière noire ou les particules inconnues qui déterminent la nature du champ de Higgs, parmi d’autres questions majeures de la physique des particules. Mais il n’est pas clair, d’après les modèles des théoriciens, si le fait de briser des protons de plus haute énergie donnerait naissance à de nouvelles particules extrêmement massives qui pourraient apporter des réponses.

Pourtant, de nombreux chercheurs pensent que cela en vaut la peine. « L’exploration de la frontière énergétique nous permettra d’approfondir notre compréhension de la physique des distances les plus courtes, ce qui, nous le savons, est intimement lié à la physique de l’Univers aux plus grandes échelles », explique Gianotti. « C’est comme un océan ouvert », explique le physicien des particules Pierluigi Campana, basé près de Rome et président du Comité international pour les futurs accélérateurs. Il compare la quête de la frontière énergétique à celle des premiers explorateurs qui ont traversé l’océan Pacifique en canoë et se sont installés sur ses nombreuses îles.

Le concept FCC en deux étapes a été présenté pour la première fois en 2019. L’idée est que l'« usine de Higgs » au stade initial pourrait révéler des écarts par rapport aux prédictions des modèles standard, ce qui pourrait indiquer si de nouvelles particules existent et à quel point elles pourraient être massives. Cette question est liée à un mystère central du modèle standard : comment le boson de Higgs « brise-t-il la symétrie » entre deux des trois forces fondamentales du modèle standard : la force électromagnétique et la force nucléaire faible. Aux hautes énergies qui existaient juste après le Big Bang, ces deux forces étaient unifiées.

Ensuite, une fois que la recherche aura produit des percées dans la technologie nécessaire, comme la façon de produire des aimants supraconducteurs suffisamment résistants pour diriger et focaliser les faisceaux de particules, le FCC de deuxième étape pourrait être construit pour découvrir ces particules – si elles sont à sa portée. (Certains physiciens disent que les nouvelles particules pourraient inclure les constituants de la matière noire, mais de nombreux théoriciens pensent maintenant que ces particules sont probablement beaucoup plus légères, et non plus lourdes, que la gamme déjà explorée par le LHC.)

Collisionneur coûteux

Bien que la plupart des physiciens des particules s’accordent à dire qu’il serait bon d’avoir les deux machines FCC, les coûts sont décourageants. Il n’y a pas encore de calcul du coût intégral ; Des documents du CERN suggèrent que la première phase à elle seule pourrait coûter 17 milliards de dollars. Cependant, les estimations de Vladimir Shiltsev, physicien des accélérateurs à l’Université Northern Illinois à DeKalb, et de ses collaborateurs suggèrent qu’il s’agit d’une valeur minimale et que les deux phases ensemble coûteraient au moins 30 milliards de dollars, et probablement beaucoup plus (T. Roser et al. J. Instrum. 18, P05018 ; 2023).

Les chercheurs ont proposé plusieurs autres conceptions possibles pour les futurs collisionneurs. Pendant des décennies, l’une des principales propositions pour une usine de Higgs n’était pas un collisionneur circulaire mais un collisionneur droit, appelé collisionneur linéaire international. Il a été étudié en détail dans le but de le placer au Japon, mais ce pays n’a pas finalisé son approbation. Les partisans d’une usine de Higgs linéaire sur le modèle du collisionneur linéaire international dis-les qu’elle ferait toutes les études de Higgs de la version circulaire, mais qu’elle serait moins chère et plus rapide. Jenny List, physicienne au Synchrotron allemand à électrons (DESY) à Hambourg, affirme qu’une machine avec un tunnel de 21 à 33 kilomètres pourrait coûter moins de la moitié du coût du premier étage du FCC. Il pourrait également étudier comment deux particules de Higgs interagissent l’une avec l’autre. Cette recherche ne serait pas directement accessible à la FCC et pourrait être cruciale pour comprendre la nature du champ de Higgs, explique Michael Peskin, physicien théoricien au SLAC National Laboratory à Menlo Park, en Californie. « Nous savons comment le construire ; il a un coût raisonnable, et il peut vraiment fonctionner au moment de la fin du LHC, si nous pouvons nous ressaisir », dit-il.

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Les options linéaires et circulaires ont chacune leurs forces et leurs faiblesses, disent les physiciens. Les partisans du plan de la FCC affirment qu’un tunnel linéaire serait une impasse une fois qu’il aurait rempli son rôle d’usine de Higgs. Mais List rétorque qu’un collisionneur linéaire peut être amélioré en allongeant le tunnel plus tard. Et il pourrait accueillir un futur accélérateur linéaire basé sur l’une des nombreuses technologies avancées en cours de développement, telles que le collisionneur de cuivre froid dirigé par les États-Unis. Il s’agit d’un nouveau concept d’accélérateurs linéaires qui pourrait réduire drastiquement la consommation d’électricité par rapport à des machines de puissance similaire.

« Il n’y a aucune raison au monde de construire une usine circulaire de Higgs » plutôt qu’une usine linéaire, déclare M. Abramowicz, soulignant en particulier sa facture d’électricité élevée. Et certains chercheurs suggèrent qu’il serait préférable d’explorer un certain nombre d’options plutôt que d’enfermer les générations futures de scientifiques dans un chemin coûteux vers 2070 et au-delà, alors qu’il n’est pas clair si la FCC serait le bon outil pour répondre aux questions des physiciens. « Je trouverais très injuste d’imposer un programme de physique à mes petits-enfants », déclare Jochen Schieck, physicien à l’Académie autrichienne des sciences de Vienne, membre du Conseil du CERN.

Pour de nombreux physiciens, l’un des arguments convaincants en faveur de la FCC est qu’elle peut continuer à soutenir la grande communauté de 15 000 chercheurs et membres du personnel de soutien qui s’est développée autour des expériences du LHC. C’est, selon Abramowicz, la véritable raison pour laquelle beaucoup sont derrière l’idée du collisionneur circulaire : il pourrait produire des collisions à quatre « points d’interaction » indépendants, chacun avec un détecteur massif produisant des données qui pourraient impliquer une collaboration de milliers de physiciens. Un collisionneur linéaire ne peut mener qu’une seule expérience à la fois, de sorte qu’il soutiendrait moins de physiciens.

Atteindre des énergies plus élevées plus tôt

L’idée que le collisionneur de protons géant ne soit pas prêt avant 2070 inquiète également certains chercheurs, car cela signifie qu’ils ne verront pas la nouvelle frontière énergétique de leur vie active. Certains disent que le CERN devrait faire un effort total de recherche et de développement pour des technologies d’accélérateur avancées qui pourraient permettre aux installations d’atteindre plus tôt des énergies plus élevées. Cela inclurait la recherche sur les aimants nécessaire à la FCC, mais prendrait également en compte de nouvelles idées – mais non prouvées – telles que la collision de faisceaux de muons, des particules qui sont des cousins plus lourds des électrons.

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Certains chercheurs, dont John Womersley, ancien directeur général du Science and Technology Facilities Council du Royaume-Uni, et Tulika Bose, physicienne du LHC à l’Université du Wisconsin-Madison, souhaitent que des machines à plus haute énergie soient développées le plus rapidement possible.

Womersley a suggéré de réduire la durée d’exploitation du LHC, jusqu’en 2035, et d’utiliser les fonds alloués pour développer des technologies pour le deuxième étage du FCC. Bose suggère de sauter complètement l’usine Higgs.

Un porte-parole du CERN a déclaré que les données à venir du LHC modernisé donneront déjà aux chercheurs en début de carrière « une position fantastique, passionnante et instructive », et que si tout se passe comme prévu, il ne s’écoulera que quelques années entre la conclusion de ce programme et le début d’un collisionneur électron-positon au milieu des années 2040.

Comment le CERN a fait avancer son plan

L’une des critiques formulées à l’encontre du plan actuel du FCC est que le CERN n’a pas suffisamment écouté la communauté avant de le formuler, et que les ressources financières et humaines qu’il a investies dans l’étude de faisabilité ont éclipsé les investissements dans d’autres programmes, tels que la recherche avancée sur les accélérateurs.

Une partie du désaccord porte sur la façon de lire un document pivot publié en 2020 après un symposium à Bad Honnef, en Allemagne (voir go.nature.com/4hrjmqp). Organisée par un groupe de travail nommé par le Conseil du CERN et présidé par Abramowicz, elle avait pour objectif d’actualiser la stratégie pour la physique des particules en Europe et l’avenir du CERN. Lors de cette réunion, un représentant du gouvernement allemand a déclaré en privé aux physiciens (dont Gianotti) que l’Allemagne ne pouvait pas se permettre de contribuer à un nouvel accélérateur massif – des opinions qui deviendraient publiques en 2024.

Ce qui a émergé dans le document, disent certains, est un compromis peu clair entre ceux qui voulaient l’approbation d’un plan de la FCC en deux étapes et des scénarios alternatifs. Le document indiquait qu’une usine de Higgs était la « priorité la plus élevée » (sans exclure la possibilité d’un collisionneur linéaire), puis indiquait sans hiérarchiser les autres priorités. Il s’agissait notamment d’étudier la faisabilité d’un futur collisionneur de hadrons au CERN avec la possibilité d’une usine de Higgs comme première étape, et d’intensifier les efforts pour développer des technologies pour les futurs accélérateurs.

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Certains chercheurs qui ont pris part au processus stratégique, dont Schieck et Siegfried Bethke, physicien à l’Institut Max Planck de physique de Garching, en Allemagne, qui est un ancien membre du Conseil du CERN, affirment que ce document a été soigneusement rédigé pour laisser la porte ouverte à d’autres conceptions d’usine de Higgs et pour éviter de faire d’une FCC à deux étages la priorité absolue, appelant seulement à ce que sa faisabilité soit étudiée. Il n’a pas soutenu l’option précise que la direction du CERN a poursuivie, le plan en deux étapes qui se concrétise dès 2070. Le CERN aurait pu consacrer plus d’efforts à l’exploration de l’option du collisionneur linéaire et plus de ressources aux technologies avancées des accélérateurs, disent-ils.

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Nature 639, 560-563 (2025)

DOI : https://doi.org/10.1038/d41586-025-00793-x