Mark Thomson relève le pari fou du futur accélérateur du CERN

Le prochain directeur général du laboratoire scientifique européen situé à Genève est chargé de donner une seconde vie au LHC et d’obtenir le feu vert pour la construction du prochain collision­neur, le FCC. 

Mark Thomson occupera dès le 1^er janvier 2026 le poste de directeur général du CERN pour un mandat de cinq ans. Siège du LHC (Grand collisionneur de hadrons), le plus grand accélérateur de particules du monde, l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire fourmille de nouveaux projets que le physicien anglais, professeur à l’Université de Cambridge, devra désormais gérer. Il était de passage à Genève en septembre dans le cadre d’un colloque sur le futur de la physique des particules. Entretien.

Quelles seront vos priorités pour votre premier mandat en tant que directeur général du CERN?
La première consiste à réaliser le «LHC à haute luminosité» (HL-LHC). Il s’agit d’une amélioration significative des capacités de l’accélérateur actuel. Les travaux commenceront en juin 2026 et dureront plusieurs années. Nous allons remplacer une grande partie des aimants actuels par de nouveaux éléments qui permettront de multiplier par 10 la luminosité de la machine, c’est-à-dire le nombre de collisions entre particules (en l’occurrence des protons ou des ions lourds) par seconde. Nous allons également moderniser les deux détecteurs géants Atlas (auxquels les scientifiques de l’Université de Genève ont beaucoup contribué) et CMS tout en perfectionnant les techniques de traitement des données, notamment grâce à l’intelligence artificielle. Le HL-LHC devrait être opérationnel en 2030. Il est crucial que nous terminions ce travail.

Pourquoi?
Le HL-LHC est bien plus qu’une simple continuation du LHC. La machine actuelle a permis de découvrir en 2012 le fameux boson de Higgs. C’est une particule très importante car elle permet d’expliquer comment les autres particules acquièrent une masse. En quinze ans, grâce au LHC, nous avons collecté un grand nombre de données sur ce boson. Mais l’image que nous en avons est encore un peu floue. Le boson de Higgs demeure une énigme à plus d’un titre. Avec ses propriétés étranges, il est très différent de toutes les autres particules que l’on a pu observer jusqu’à présent. Pour mieux le connaître, pour vérifier qu’il possède bien les caractéristiques qu’on lui prête, il nous faut beaucoup plus d’informations. Le HL-LHC multipliera par 10 la masse de données que nous avons déjà. En d’autres termes, c’est comme si nous n’avions parcouru à ce jour que 10% du programme du LHC. La période HL-LHC représente une incroyable opportunité scientifique de découvrir une nouvelle physique. 

Avant de vous lancer dans le projet du futur accélérateur du CERN, sans doute?
En effet. Mon ambition est que, d’ici à la fin de mon mandat, le Conseil du CERN (l’organe de décision suprême composé des délégués de ses 25 États membres) approuve le projet du Futur collisionneur circulaire (FCC). Il s’agit d’un accélérateur géant de 91 kilomètres de circonférence dont il va falloir creuser le tunnel sous la France et le canton de Genève. Si tout va bien, le projet devrait être achevé d’ici à la moitié des années 2040. Sa construction devrait coûter quelque 15 milliards de francs. C’est beaucoup, mais cette somme est étalée sur une quinzaine d’années et partagée par les 25 États membres, les États associés et les États observateurs, dont font partie notamment les États-Unis, qui représentent un gros contributeur. 

Pourquoi fabriquer une telle machine? Est-ce que le boson de Higgs n’était pas la dernière pièce manquante de ce qu’on appelle le «Modèle standard»?
Le Modèle standard de la physique des particules (voir le schéma ci-contre) est un modèle, pas une théorie. Jusqu’à sa découverte, il lui manquait encore le boson de Higgs, dont l’existence avait été postulée en 1964 par les physiciens Robert Brout, François Englert et Peter Higgs (ce qui a valu le prix Nobel aux deux derniers, le premier étant décédé entretemps). Mais le Modèle standard n’est pas tout. Et le boson de Higgs n’est certainement pas la dernière des particules de la nature qui reste à découvrir. Nous savons, par exemple, qu’il existe dans l’Univers cette chose appelée la «matière noire» qui est environ 5 fois plus abondante que la matière ordinaire (faite d’électrons et de quarks). Et il est probable que cette matière noire mystérieuse soit composée d’une ou de plusieurs particules encore inconnues. Par ailleurs, de nombreuses questions restent ouvertes auxquelles le Modèle standard ne peut pas apporter de réponses. Comment unifier toutes les forces de la nature, y compris la force de gravitation? Où est passée l’antimatière alors qu’elle a été créée au moment du Big Bang en quantité égales avec la matière? Le Modèle standard lui-même est curieux. Pourquoi contient-il autant de particules fondamentales? Nous avons désormais compris ce qui leur donne une masse mais pas pourquoi celles-ci sont si différentes les unes des autres. Nous voyons également apparaître de possibles tensions entre le Modèle standard et nos observations au CERN, suggérant l’existence d’une autre physique, que nous ne connaissons pas encore.

Quelles tensions?
Les neutrinos, pour ne prendre qu’un exemple, sont des particules extrêmement légères. On les pensait sans masse mais, il n’y a pas si longtemps, en 1998, on a pu démontrer qu’ils en avaient une, bien qu’infime. Cela fait que les neutrinos sont très différents de toutes les autres particules connues. Et le Modèle standard ne peut pas apporter d’explication à cet état de fait. Se pourrait-il que les neutrinos soient d’un type de matière différent qui acquiert sa masse d’une autre façon que les électrons et les quarks? Et si c’est le cas, il existe probablement aussi des particules superlourdes que nous ne connaissons pas encore. 

Le FCC pourra-t-il apporter des réponses à ces questions?
Cette machine contribuera à faire avancer les connaissances dans tous ces domaines. Et elle va, en premier lieu, permettre d’en savoir plus sur le fameux boson de Higgs. En fait, dans un premier temps, le FCC devrait fonctionner comme une usine à bosons de Higgs pour nous permettre d’en mesurer les propriétés avec une précision encore plus grande qu’avec le HL-LHC. Le FCC générera également un million de fois plus de bosons Z0 que ce dont est actuellement capable le LHC. Découvertes au CERN en 1983, ces particules massives sont, avec les bosons W+ et W-, les vecteurs d’une des quatre forces fondamentales de la nature, la force dite faible, qui intervient lors de réactions de désintégration nucléaire. Cette production intense de Z0 permettra de détecter des effets quantiques très subtils.

Pensez-vous découvrir quelque chose de nouveau avec le FCC?
Les découvertes sont par définition imprévisibles. Ce qui est sûr, c’est qu’il y a désormais un consensus entre les scientifiques, nos partenaires internationaux et les États membres du CERN sur le fait que les questions de physique auxquelles nous voulons répondre sont les bonnes et que le FCC est la meilleure stratégie pour y parvenir.

Maîtrisons-nous déjà toutes les technologies qui seront utilisées par le FCC? 
Le FCC comporte deux phases. La première est l’usine de Higgs à partir de collisions entre électrons et antiélectrons. Nous n’avons pas encore perfectionné toutes les technologies nécessaires à sa construction, mais je suis confiant quant au fait que nous y arriverons. La deuxième consistera à faire évoluer la machine pour atteindre des énergies encore plus élevées en faisant entrer en collision des hadrons (des protons et/ou des antiprotons composés de quarks). Cela implique de construire des aimants encore plus puissants, potentiellement grâce à l’utilisation de matériaux supraconducteurs à haute température. Ce qui est une technologie révolutionnaire demandant encore beaucoup de recherche et développement. Cela dit, le véritable domaine d’innovation résidera dans la conception des détecteurs. Il y en aura quatre, comme pour le LHC, ce qui permettra de réaliser des expériences indépendantes et de confirmer d’éventuelles découvertes. 

La Chine semble préparer un projet rival, le CEPC (Circular Electron Positron collider), d’une circonférence de 100 kilomètres. Qu’en pensez-vous?
Il est très difficile de savoir ce que la Chine a l’intention de faire. Je n’ai en tout cas pas les éléments en main pour commenter leur projet. Ce qui est important à mes yeux, c’est que, quoi qu’il se trame ailleurs, l’Europe décide de tout faire pour rester à la pointe mondiale dans la physique des particules, un des rares domaines de l’innovation où elle peut se targuer d’occuper une telle position.

Le 25 mars dernier, une étude a conclu à la faisabilité du FCC. Pourtant, plusieurs pétitions circulent, dont certaines regroupent des scientifiques, pour s’opposer au projet à cause de son impact possible sur l’environnement (matériaux d’excavation, consommation d’énergie et d’eau, émissions de CO2, coûts…). Est-il judicieux de se lancer dans une entreprise d’une telle ampleur alors que tout le monde exige de consommer moins, d’émettre moins et de préserver la nature et la planète? 
Ces aspects environnementaux sont très importants, voire prioritaires. Nous les prenons en compte et nous les avons intégrés dès les premières étapes de la conception du projet. La spécialité du CERN, c’est l’ingénierie. Cet organisme a, dans son histoire, réalisé des prouesses technologiques en apparence impossibles. Je crois qu’avec le FCC, le CERN a l’opportunité de changer radicalement sa façon de mener de grands projets d’infrastructure de recherche et de les rendre compatibles avec les aspirations de la société en matière de durabilité environnementale. Notre objectif est de réduire l’empreinte carbone et, plus largement, l’impact sur la nature et le paysage de la construction et de l’exploitation du FCC. Nous concevons déjà des plans inédits à cette fin. Je crois sincèrement que le CERN peut jouer le rôle de guide ou de phare dans ce domaine qui pourrait avoir un impact sur la manière dont d’autres grands projets d’infrastructure seraient être gérés.

Envisagez-vous d’expliquer votre démarche à la population?
Nous le faisons déjà et nous continuerons à le faire. Sans doute davantage et avec plus de clarté. Je suis conscient que les populations suisses et françaises ont leur mot à dire. Mais si nous présentons correctement les bons arguments, nous pourrons démontrer que nous prenons très au sérieux l’impact sur l’environnement et que nous pouvons l’atténuer. Il faut préciser que les mesures susceptibles de nous approcher de la neutralité carbone sont aussi celles qui coûtent le plus cher. Nous devons donc réfléchir aux différentes options possibles. Toutes ces réflexions seront rendues publiques. 

Les 15 milliards d’euros devisés pour le FCC ne pourraient-ils pas être attribués à d’autres domaines de recherche?
En science, comme dans les entreprises, il faut des gros et des petits investissements. Sans aucun doute, le FCC se situe tout en haut de l’échelle. Mais disposer d’investissements de cette ampleur en science est absolument essentiel à la réussite de notre quête scientifique, à savoir la compréhension de la nature. Utiliser l’argent du FCC ailleurs reviendrait à le diluer dans une multitude de programmes plus modestes, certes très intéressants mais qui n’obtiendraient pas le résultat auquel on aspire avec le FCC.

Récemment, le CERN a subi des pressions pour revoir sa coopération avec Israël à cause de la guerre qui sévit à Gaza. Quelle est votre position sur cette question?
Israël est un État membre du CERN depuis 2014 et participe de ce fait à sa gouvernance. Le CERN a été créé pour mettre la science au service de la paix. De son point de vue, la collaboration entre scientifiques du monde entier est primordiale. Si l’organisation a survécu et a connu un tel succès pendant 70 ans, c’est grâce à cette collaboration transfrontalière, quelles que soient les conditions géopolitiques du moment.

Propos recueillis pas Anton Vos