LE PROJET

L’étude sur un Futur collisionneur circulaire (étude FCC) a pour but la conception de collisionneurs de particules haute performance qui pourraient succéder au LHC après la fin de son exploitation à haute luminosité.

L'étude de faisabilité du FCC en cours, dont l'achèvement est prévu en 2025, vise à déterminer la viabilité technique et financière du FCC au CERN, en s'intéressant en particulier aux aspects géologiques, à l'impact environnemental, à la conception des infrastructures, au génie civil et aux détecteurs, ainsi qu'à la R&D sur les technologies devant assurer l'efficience et la durabilité des collisionneurs proposés.

On prévoit un nouveau tunnel d'une circonférence de 90,7 km, d'une profondeur moyenne de 200 m, et huit sites en surface pour au plus quatre expériences. Le tunnel abriterait initialement le FCC-ee, un collisionneur électron-positon permettant des mesures de précision dans le cadre d’un programme de recherche mené sur une période 15 ans à compter du milieu de la décennie 2040. Une deuxième machine, le FCC-hh, serait alors installée dans le même tunnel, réutilisant ainsi l'infrastructure existante, comme lorsque le LHC a remplacé le LEP. Le FCC-hh vise à atteindre des énergies de collision de 100 TeV, en faisant entrer en collision des protons et également des ions lourds ; il pourrait être en service jusqu'à la fin du XXIesiècle. 

LE CALENDRIER

Calendrier indicatif :

  • 2025 : achèvement de l’étude de faisabilité du FCC
  • 2027–2028 : décision des États membres du CERN et des partenaires internationaux
  • Décennie 2030 : début de la construction
  • Milieu de la décennie 2040 : le FCC-ee entre en service pour une durée d'environ 15 ans
  • Décennie 2070 : le FCC-hh entre en service pour une durée d'environ 25 ans 

Rappel historique : la proposition scientifique du LHC a été présentée en 1984 ; il a fallu 10 ans pour que le projet soit approuvé, et 25 ans pour que les aimants soient développés et installés.

POURQUOI CE PROJET ?

Justification scientifique

La découverte du boson de Higgs a conduit à de nouvelles questions : quel a été le rôle du boson de Higgs dans le Big Bang, et comment a-t-il influencé l'évolution de l'Univers ? Le boson de Higgs peut-il apporter des réponses sur certains points que le Modèle standard ne sait pas expliquer, comme la matière noire et l'excédent de matière par rapport à l'antimatière ? La réponse à ces questions peut se trouver dans une grande diversité de scénarios de physique au-delà du Modèle standard. Certains scénarios supposent l'existence de nouvelles particules plus lourdes, hors d'atteinte du LHC, accessibles par des installations atteignant des énergies plus élevées. D'autres supposent l'existence de particules plus légères interagissant très faiblement avec les particules du Modèle standard, et dont la détection suppose d'énormes quantités de données, et une grande sensibilité des détecteurs pour des signaux difficiles à percevoir. Grâce aux avancées considérables en matière de sensibilité et de précision qu'apporterait le FCC-ee, et, ultérieurement, à l'énergie largement supérieure à celle du LHC qu'atteindrait le FCC-hh, le programme FCC donnerait aux physiciens la possibilité d'explorer complètement ce panorama.

Le CERN dispose de plusieurs options pour de futurs collisionneurs, circulaires ou linéaires. Étant donné la légèreté du boson de Higgs et l'absence à ce jour de découverte d'autres nouvelles particules élémentaires au LHC, les collisionneurs circulaires e+e- sont des options séduisantes par rapport aux machines linéaires. Ces machines offriraient une luminosité notablement supérieure et pourraient accueillir jusqu'à quatre expériences, tout en constituant une infrastructure pour un collisionneur d'hadrons ultérieur.

Pour en savoir plus : voir « FCC: The Physics Case » (en anglais) dans la revue CERN Courier.

LE FCC EN BREF

Calendrier

  • 2025 : achèvement de l’étude de faisabilité du FCC
  • 2027–2028 : décision des États membres du CERN et des partenaires internationaux

Tunnel

  • 90,7 km de circonférence
  • 200 m de profondeur en moyenne
  • 8 points en surface (7 en France, 1 en Suisse)

Deux phases

  • FCC-ee (mesures de précision) pendant environ 15 ans à compter du milieu de la décennie 2040
  • FCC-hh (haute énergie) pendant environ 25 ans à partir de la décennie 2070

Coûts/bénéfices

  • 15 milliards de CHF, répartis sur au moins 15 ans pour le FCC-ee, avec quatre expériences
  • Rapport bénéfice/coût estimatif : 1,66
  • Création d'emplois : environ 800 000 années-personnes
Graphic of FCC
Schéma montrant l’emplacement proposé pour le Futur collisionneur circulaire. (Image : CERN)

 

 

Retour sur investissement

Au-delà de l'acquisition de nouvelles connaissances, les études montrent que les bénéfices du FCC seraient supérieurs au coût. Si l'on prend en compte les impacts sur l'industrie des développements de haute technologie, la formation de chercheurs et d'ingénieurs en début de carrière, le développement de logiciels libres et gratuits, la création d'entreprises dérivées et de biens culturels, notamment, on arrive à un rapport bénéfices-coût de 1,66. D'après le rapport à mi-parcours sur le projet FCC, celui-ci est associé à une création d'emplois à hauteur de 800 000 années-personnes, et le programme scientifique du FCC-ee devrait générer un impact économique local de plus de 4 milliards d'euros.

Pour en savoir plus : voir « Machine Matters » (en anglais) dans la revue CERN Courier.

COMMENT ?

Génie civil

La durabilité est un axe majeur des études de génie civil relatives au FCC. Les activités de construction de l'accélérateur produiraient environ 16,4 millions de tonnes de matériaux d'excavation sur une période de cinq ans.

Comparaison avec d’autres projets de construction

Quantité de matériaux excavés (en millions de tonnes)

FCC

16,4

Gotthard

28,2

Grand Paris

43

Lyon Turin

37

HS2 Phase 1

130

Crossrail

8

Stuttgart 21

40

 

Dans ce contexte, le concours « Mining the Future » a été l'occasion de mettre au point des techniques crédibles et innovantes de réutilisation de molasse : utilisation du calcaire pour la production de béton et la stabilisation des constructions dans le cadre du projet, réutilisation des matériaux d'excavation comme remblais pour des carrières et des mines, transformation de molasse stérile en sol fertile pour l'agriculture et l'exploitation forestière, production de briques à partir de molasse comprimée et développement de matériaux de construction innovants à base de molasse à intégrer dans le projet là où c'est possible techniquement.

La prochaine étape consistera à mettre en place un pilote de « laboratoire à ciel ouvert » pour démontrer les techniques de séparation présentées par le consortium gagnant, et à collaborer avec les États hôtes du CERN et d'autres parties prenantes pour identifier des sites adaptés pour leur utilisation.

De plus, l'étude de faisabilité du FCC vise à réduire au maximum l'empreinte carbone pendant la construction et à optimiser les systèmes de transport entre sites.

Eau

Une nouvelle évaluation a montré que les besoins en eau maximum pendant l'exploitation du FCC-ee à l'énergie la plus élevée (350 GeV) peuvent être ramenés à moins de 3 millions de m3 par an, soit environ les besoins en eau actuels du LHC.

Énergie

Le FCC-ee sera le plus grand accélérateur de particules jamais construit ; ses cavités radiofréquence, ses aimants et ses systèmes cryogéniques seront les principaux consommateurs d'énergie électrique.

La consommation d'électricité du FCC-ee devrait varier entre 1 et 1,8 Twh/an, selon le mode d'exploitation de la machine. Grâce aux efforts de R&D en cours, la consommation du FCC-ee devrait être inférieure de 30 à 40 % à la consommation attendue avec les technologies actuelles. L'équipe de l'étude FCC travaille également avec des autorités régionales pour étudier comment une partie de cette énergie peut être recyclée localement pour le chauffage de sites industriels et d'infrastructures publiques.

Consommation d'électricité (comparaison)

TWh/an

FCC-ee

Entre 1 et 1,8

LHC

1,3

LHC à haute luminosité

1,6

Usine chimique classique

6

Production d'électricité en France

510

L'alimentation électrique viendrait du réseau français, et la conception a été faite de manière à ce qu'aucune nouvelle sous-station ne doive être construite pour les différents modes d’exploitation du FCC-ee. Les études montrent que, le temps que le FCC entre en service, il sera possible d'arriver à une faible empreinte carbone grâce à un mix énergétique contenant une large part d'énergie en provenance de sources renouvelables.

Coût

Le coût du FCC-ee avec quatre points d'interaction est estimé à 15 milliards de CHF, répartis sur plus de 15 ans, dont environ un tiers pour le tunnel.

Pour en savoir plus : voir « Machine Matters » et « Tunnelling to the future » (en anglais) dans la revue CERN Courier.

Carte de la région montrant l'emplacement potentiel du tunnel du FCC
Huit points en surface (P) sont prévus pour l'infrastructure technique et les expériences scientifiques, à savoir sept en France et un en Suisse PA à Ferney Voltaire, PB à Présinge/Choulex (Suisse), PD à Nangy, PF à Etaux, PG à Charvonnex/Groisy, PH à Cercier, PJ à Vulbens/Dingy et PL à Challex. (Image : CERN)

IMPLANTATION

Après huit années d'étude, une configuration a été retenue sur plus de 100 options différentes. Ce scénario envisage un tunnel d'une circonférence de 90,7 km, huit sites en surface associés à des installations à une profondeur comprise entre 180 et 400 m, et au plus quatre expériences.

Dans la mesure du possible, on a envisagé des terres non exploitées, les périmètres des sites étant réduits au strict minimum ; les surfaces requises ont été réduites de plus de 60 % par rapport aux plans initiaux. Le FCC réutilisera des sites existants tels que le site de surface du LHC, qui compte 3 ha, à Ferney-Voltaire (pour le site PA) et le site de surface de Prévessin (pour l'accélérateur qui servira d'injecteur au FCC).

Pour en savoir plus : voir « Where and How » (en anglais) dans la revue CERN Courier.

PARTENAIRES

La collaboration mondiale FCC regroupe plus de 150 instituts dans plus de 30 pays. De nouveaux partenaires pourraient être accueillis pour le travail de recherche et développement.

Pour en savoir plus : voir « The People Factor » (en anglais) dans la revue CERN Courier.