ACCÉLÉRATEURS DE PARTICULES

La nécessité d’énergie croissante

De 1930 à nos jours, l'énergie des accélérateurs destinés à la physique des particules a connu une croissance presque exponentielle. Après les synchrotrons à protons et à électrons des années 1950-1975, les collisionneurs, utilisant mieux l'énergie communiquée aux particules, permettent d'engendrer des objets quantiques de masses de plus en plus élevées. Dans un collisionneur, des particules de haute énergie groupées en bouffées denses circulant en sens inverse les unes des autres produisent, par leurs collisions, d'autres particules, souvent nombreuses, dont les physiciens cherchent à mesurer les caractéristiques à l'aide d'instruments de détection complexes. Des observations ainsi accumulées, ils peuvent déduire les propriétés des divers constituants de la matière.

Les collisionneurs circulaires provoquent des chocs soit proton-proton (ou proton-antiproton), soit électron- positron. Les premiers présentent l'avantage d'atteindre les énergies les plus élevées. Mais les protons et les antiprotons sont des objets composites : les collisions entre leurs entités « élémentaires », quarks ou gluons, ne mettent en jeu qu'une partie de l'énergie totale du choc. Cela complique et rend moins précise l'analyse des réactions produites. Dans les collisionneurs circulaires électron-positron, au contraire, les produits des collisions sont plus faciles à analyser. En revanche, électrons et positrons dissipent, en circulant dans les aimants de courbure, un intense rayonnement synchrotron, provoquant une consommation électrique excessive et coûteuse qui, pour un diamètre donné, limite l'énergie des particules.

En bref, les machines à protons servent à explorer à grands traits une large gamme d'énergie, les machines à électrons fournissant ensuite les moyens d'une analyse beaucoup plus fine des phénomènes ainsi identifiés.

Après la génération des collisionneurs électron-positron des années 1990-2000 (notamment le L.E.P. du Cern), qui ont permis une exploration détaillée du modèle standard des particules, les physiciens ont préconisé la construction de collisionneurs d'une énergie supérieure, notamment dans le but d'éclaircir le mécanisme de Higgs présumé donner leurs masses aux particules « élémentaires ». L'énergie visée était telle que seuls des collisionneurs de protons pouvaient alors être envisagés.

Poursuivant une compétition entamée depuis les années 1950, Européens et Américains ont alors, parallèlement, étudié des projets de très grands collisionneurs à protons de plusieurs dizaines de téraélectrons-volts (1 TeV = 10¹² eV). Mis en chantier au Texas dès 1990, le projet américain S.S.C. (Superconducting Super Collider), machine de 20 + 20 TeV et de 87 km de circonférence, a été abandonné en 1993 à cause de son coût excessif et de choix techniques hasardeux. Ne subsiste aujourd'hui que le projet européen L.H.C. (cf. encadré « Le L.H.C. »), plus modeste, conçu pour être installé dans le tunnel circulaire long de 27 km ayant auparavant abrité le collisionneur L.E.P.