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Physique des hautes énergies : point d’étape sur la planification stratégique en cours

Pendant une année, l’exercice de planification communautaire en physique des particules “Snowmass” permet d’évaluer l’état du domaine et d’identifier les priorités de recherche aux Etats-Unis. Cet exercice est ensuite synthétisé sous la forme d’un rapport soumis au Particle Physics Project Prioritization Panel (P5). C’est ce comité P5 qui recommandera un programme stratégique de recherche décennal pour le département de l’énergie (DOE) et la National Science Foundation (NSF).

HEPAP, P5, NSF et Office of Science du Département de l’énergie

Le High Energy Physics Advisory Panel (HEPAP) – le comité consultatif sur la physique des hautes énergies- a été conjointement créé en octobre 2000 par le DOE) et la NSF. Les activités principales de l’HEPAP sont de [1] :

  • Revoir périodiquement les programmes existants en physique des hautes énergies
  • Fournir des conseils sur la formulation de plans, de priorités et de stratégies à long terme pour le programme de physique des hautes énergies
  • Recommander des niveaux de financement appropriés pour assurer une position de leader mondial
  • Faire des recommandations pour aider à maintenir un équilibre approprié entre les éléments concurrents du programme.

Les rapports de Snowmass servent de guide pour le P5 , sous-comité du HEPAP, qui rend compte à la fois au Bureau de la physique des hautes énergies du DOE via l’Office of Science (SC) et à la Direction des sciences mathématiques et physiques de la NSF, conformément aux directives établies par le Federal Advisory Committee Act (FACA) de 1972 [2].

Légende : L’Office of Science (SC) du Département de l’énergie (DOE) soutient un portefeuille diversifié de 11 programmes de recherche (dont le High Energy Physics, en vert en haut et à gauche) en vue de faire progresser la science nécessaire à des innovations de rupture dans le domaine de l’énergie, ainsi qu’à mieux comprendre la structure de la matière tout en fournissant aux chercheurs américains les outils à grande échelle les plus avancés possible [3]. 

Snowmass

Du nom de la ville du Colorado où s’est tenue en 1982 la première itération, Snowmass est l’exercice de planification communautaire en physique des particules.  Organisé par la Division of Particles and Fields (DPF) de l’American Physical Society environ une fois par décennie, Snowmass est une étude scientifique clef car elle donne l’occasion à l’ensemble de la communauté de la physique des particules de se réunir pour identifier et documenter une vision scientifique de l’avenir de la physique des particules aux États-Unis [4]. Snowmass permet de définir les questions les plus importantes pour le domaine de la physique des particules et d’identifier les opportunités les plus prometteuses pour y répondre [5].

Le processus Snowmass 2022 a débuté il y a plus de deux ans et a été largement impacté par la pandémie. Cependant, si certains pouvaient considérer que les prochaines étapes du domaine étaient déjà décidées (ex. : le grand collisionneur de hadrons à haute luminosité du CERN et les expériences sur les neutrinos aux États-Unis), l’avalanche de propositions – 511 white papers émanant de la communauté – a relancé le débat entre les 1 200 personnes qui se sont rencontrées en ligne et en personne à l’Université de Washington à Seattle. 

En plus du forum Snowmass Early Career Scientists, ce sont 10 domaines ou « frontières » qui ont été identifiés :

– Frontière de l’énergie,
– Frontière de la physique des neutrinos,
– Frontière des processus rares et des mesures de précision,
– Frontière cosmique,
– Frontière de la théorie,
– Frontière des accélérateurs,
– Frontière de l’instrumentation,
– Frontière du calcul,
– Installations souterraines,
– Engagement communautaire.

Le projet phare des neutrinos en difficulté 

Snowmass a réaffirmé son soutien à la réalisation du projet international Long-Baseline Neutrino Facility and Deep Underground Neutrino Experiment (LBNF/DUNE). Les objectifs scientifiques de DUNE comprennent l’étude des oscillations des neutrinos, la désintégration des protons, la détection d’événements cosmiques tels que les supernovas.

Le complexe LBNF/DUNE était une priorité dans le précédent P5 en 2014. Mais des dépassements de coûts, des retards et des problèmes de gestion ont freiné le projet. Au cours de l’année fiscale 2021, le DOE a attribué au Fermilab un « C » pour la gestion du programme (même si la note n’était pas explicitement liée à un projet particulier, le LBNF/DUNE est l’un des fleurons du laboratoire). Notons par exemple les estimations des coûts du « détecteur proche » au Fermilab et de deux des quatre modules prévus pour le « détecteur lointain » au Sanford Underground Research Facility dans le Dakota du Sud qui sont passées d’une fourchette de 1,3 à 1,9 milliard de dollars en 2015 à 3,1 milliards de dollars, ou encore la collecte de données avec le faisceau de neutrinos, qui devait initialement commencer en 2026, et qui est désormais prévue pour 2031. D’autres facteurs (ex. : inflation élevée, chaîne d’approvisionnement etc.) pourraient impacter davantage le projet.

Le projet serait de commencer à fonctionner avec deux détecteurs à argon liquide de 17 kilotonnes ; deux détecteurs supplémentaires feraient partie d’une deuxième phase. Le faisceau de neutrinos commencerait avec une puissance de 1,2 mégawatts, et plus tard, pour la deuxième phase, sa puissance serait doublée. Pour l’instant, le DOE s’est engagé à financer la première phase, et ses quelques 30 partenaires internationaux – dont les principaux sont le CERN, le Brésil, la France, l’Inde, l’Italie et le Royaume-Uni – ont apposé leurs signatures en supposant que le projet complet, en deux phases, irait de l’avant. 

Les responsables de la frontière des neutrinos à Snowmass ont demandé un soutien pour explorer les améliorations à apporter à la phase 2. Cette deuxième phase est considérée comme nécessaire pour atteindre les objectifs scientifiques à long terme. Cependant, d’autres membres souhaiteraient disposer du budget alloué pour d’autres domaines. 

Les projets de collision attendent dans les coulisses 

Plus de la moitié des physiciens des particules américains travaillent sur la frontière de l’énergie. En tête de leur liste de souhaits figure un collisionneur électron-positron dédié à l’étude du boson de Higgs. Une poignée de projets de collisionneurs circulaires et linéaires existent dans le monde. La communauté souhaite que la machine proposée puisse être réalisée le plus rapidement possible.

Le projet le plus abouti techniquement est le collisionneur linéaire international (ILC), qui commencerait à 250 giga-électronvolts et pourrait être étendu à un téra-électronvolt. Le projet est dans les limbes depuis plusieurs années, le Japon, en tant qu’hôte, attendant les engagements financiers des partenaires internationaux, et les partenaires potentiels – y compris les États-Unis – attendant que le Japon aille de l’avant avec le projet.

Les physiciens des hautes énergies sont également enthousiastes à l’idée d’un collisionneur de muons. L’idée connaît de nouveau un certain enthousiasme après avoir été largement abandonnée en 2015 à la suite du dernier P5.

Les muons sont environ 200 fois plus lourds que les électrons ; dans une machine circulaire, ils peuvent être accélérés à des énergies plus élevées dans un anneau plus compact. Le souhait serait d’arriver à des collisions de 10 téra-électronvolts avec une circonférence d’environ 10 kilomètres. De telles collisions seraient d’un ordre de grandeur supérieur à ce qui est possible au grand collisionneur de hadrons. Cependant, les muons sont instables, et chaque étape de construction de l’instrument comporte de nombreux défis.

Notons également que lors de Snowmass, il y a eu un soutien important de la base pour un collisionneur sur le sol américain. Celui-ci est lié à l’espoir d’une taille et d’un prix réduits grâce à un collisionneur de muons ou une usine de Higgs utilisant la nouvelle technologie des collisionneurs linéaires en cuivre froid (Cool Copper Collider, ou C3).

Légende : Cartographie des plus de 160 universités, instituts et laboratoires travaillant en physique des particules aux États-Unis et impliqués dans le processus de Snowmass. Crédit : US Particle Physics [6]

Gina Rameika prend la tête du programme de physique des hautes énergies du DOE

La physicienne spécialiste des neutrinos, Gina Rameika vient de commencer son mandat à la tête de l’Office of High Energy Physics (HEP) du DOE. Le Dr. Rameika a rejoint le DOE après avoir passé quatre décennies au Fermilab où elle est arrivée en 1982. Expérimentatrice, elle y a aussi occupé divers postes de direction, notamment en dirigeant la division Neutrino de 2014 à 2016. En avril 2021, Mme Rameika a été élue co-porte-parole de DUNE, qui, avec ses 1400 membres, constitue l’une des principales priorités du DOE [7]. Elle a également joué des rôles de premier plan dans un certain nombre d’autres projets sur les neutrinos, notamment MicroBooNE et MINOS, et a fait partie de l’équipe qui a découvert le neutrino tau en 2000. Elle a reçu de nombreux prix, dont le Fermilab Trailblazer Award 2019 pour ses contributions au programme Long Baseline neutrino [8], et plus récemment le prix Panofsky de l’APS 2022 pour ses contributions à l’expérience DONUT [9].

Légende : Dans son nouveau rôle au sein de l’Office of Science du DOE, Mme Gina Rameika supervisera les activités de recherche en physique des hautes énergies. Crédit : Gina Rameika.

Elle prend ses fonctions au DOE alors que la communauté des chercheurs anticipe l’achèvement, l’année prochaine, du rapport du P5, la première mise à jour du document de planification le plus important du bureau depuis 2014. Le précédent directeur du bureau, Jim Siegrist, a supervisé la réponse du département au rapport P5 de 2014 et a programmé sa retraite pour permettre à son successeur de guider la réponse du DOE au nouveau rapport [10]. Le processus P5 s’appuiera sur plusieurs éléments, notamment les conclusions du dernier atelier de Snowmass et l’enquête décennale des académies nationales dans ce domaine [11]. 

Le P5 s’appuiera sur les contributions scientifiques de Snowmass pour élaborer un plan stratégique pour la physique des particules aux États-Unis. Ce plan pourra être mis en œuvre sur une période de 10 ans, dans le cadre d’une vision globale de 20 ans pour ce domaine. Les recommandations du P5 devront être remises dans la seconde moitié de 2023.

Renaud Seigneuric, Attaché pour la Science et la Technologie, Houston
[email protected] 

 

Sources et références

[1] https://www.energy.gov/science/hep/high-energy-physics-advisory-committees
[2] https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilities-at-a-Glance/HEP
[3] https://science.osti.gov/Programs
[4] https://www.snowmass21.org/start
[5] Pour en savoir plus sur l’histoire et l’esprit de Snowmass, voir « How to Snowmass », écrit par Chris Quigg.
[6] https://www.usparticlephysics.org/institutions/
[7]https://news.fnal.gov/2022/11/gina-rameika-named-the-new-associate-director-for-high-energy-physics-at-doe/
[8]https://www.energy.gov/science/articles/scs-new-associate-director-high-energy-physics?dm_i=1ZJN%2C839P1%2CEMUXMD%2CX4A1I%2C1
[9]https://www.aps.org/programs/honors/prizes/prizerecipient.cfm?last_nm=Rameika&first_nm=Regina&year=2022
[10] https://aip-info.org/
[11] https://www.energy.gov/science