Le projet de construire un Futur collisionneur circulaire (FCC) au CERN a pour objectif d’étudier l’Univers avec un degré de précision encore jamais égalé. En faisant entrer en collision des électrons et des positons dans quatre points d’interaction situés le long d’un anneau de 91 km de circonférence, les scientifiques pourraient observer les propriétés du boson de Higgs et d’autres particules fondamentales avec une précision qui reste hors d’atteinte pour le Grand collisionneur de hadrons (LHC).

La réussite du programme de physique du FCC-ee dépend des capacités des détecteurs installés aux points de collision. Étant donné les paramètres très contraignants inclus dans la conception du FCC-ee, physiciens et ingénieurs s’emploient à repousser les limites des technologies de détection actuelles. Six concepts de détecteurs pour le FCC-ee sont aujourd’hui envisagés par différents instituts à travers le monde. Pour les détecteurs du LHC, les premiers tests avec faisceau avaient eu lieu 16 ans avant la première collision de protons ; de même, le développement des détecteurs pour le FCC-ee a débuté il y a de nombreuses années déjà.

Entre mai et août de cette année, les équipes travaillant sur la proposition de détecteur IDEA (International Detector for Electron Accelerator) ont testé plusieurs prototypes d’éléments de détecteurs au moyen de faisceaux secondaires produits par le Super synchrotron à protons (SPS) et le Synchrotron à protons (PS). Il s’agissait de l’une des dernières occasions de réaliser ces tests avant que le complexe d’accélérateurs du CERN n’entre dans sa phase de troisième long arrêt afin de céder la place au LHC à haute luminosité en 2030.

Les premiers tests avec faisceau ont permis d’évaluer le potentiel d’un prototype de détecteur de muons, constituant un système innovant et de plus grande précision que les détecteurs actuels du LHC. Il est essentiel de pouvoir localiser la position des muons dans les couches externes des détecteurs du FCC-ee ; le concept du détecteur de muons IDEA comporte une résolution spatiale de 50 micromètres. Par ailleurs, l’équipe travaillant sur la chambre à dérive IDEA, qui permettrait de cibler et d’identifier les particules dans la partie centrale du détecteur, a analysé la performance d’une technique dite de cluster counting. L’objectif est d’atteindre le niveau de performance requis dans les spécifications de conception du FCC-ee pour ce qui concerne l’identification des particules.

Le programme de physique du FCC-ee suppose également que l’énergie des « jets » des particules puisse être déterminée avec une précision nouvelle. C’est pourquoi les équipes travaillent à l’élaboration de nouveaux calorimètres, à double système de lecture, qui pourront recueillir des informations supplémentaires lors du passage des particules dans le détecteur ; le niveau de précision obtenu sera ainsi nettement supérieur par rapport aux approches classiques. Les tests avec faisceau récemment menés au CERN ont été l’occasion d’évaluer deux nouvelles technologies de calorimètres dans le cadre de l’étude pour IDEA, qui se sont toutes deux révélées prometteuse dans la perspective de futurs développements à grande échelle.

« Ces tests avec faisceau sont le résultat d’une décennie de recherche et de développement en matière de détecteurs. Ils montrent que les travaux sur le FCC ne se limitent pas à des simulations ou à des schémas conceptuels, et ont aussi abouti à de véritables prototypes depuis de nombreuses années », explique Paolo Giacomelli (INFN Bologne), responsable du concept de détecteur IDEA.

Pour les équipes qui travaillent sur les concepts de détecteurs destinés au FCC-ee, les prochaines années s’annoncent chargées en matière de recherche et de développement.

Le Conseil du CERN devrait être en mesure de prendre une décision sur le FCC-ee en 2028, compte tenu d’éléments tels que la faisabilité scientifique, technique et financière du projet, ainsi que des résultats des processus de débat public et de concertation publique menés dans les États hôtes du CERN, la France et la Suisse.

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