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PREMIÈRE PARTIE - LA MONTÉE DES BESOINS EN GRANDS ÉQUIPEMENTS DANS TOUTES LES DISCIPLINES SCIENTIFIQUES

Avertissement

Le présent chapitre a pour but de donner un aperçu de la réalité que constituent les très grands équipements de la recherche (TGE).

En s'appuyant sur la nomenclature actuelle des TGE de la direction de la recherche du ministère chargé de la recherche, des auditions ont été organisées pour recueillir la vision de responsables du ministère, de responsables d'organismes de recherche ou de laboratoires et de chercheurs, sur les très grands équipements qu'ils utilisent ou dont ils prévoient la nécessité dans les années à venir.

Par ailleurs, vos Rapporteurs ont également étudié les besoins de différents domaines qui ne possèdent pas pour le moment des grands outils répertoriés dans la nomenclature actuelle, par exemple les sciences et technologies de l'information et de la communication ou les sciences du vivant ou bien encore les sciences de l'homme et de la société.

Dans toute la mesure du possible, c'est l'ensemble du paysage des très grands investissements qui a été parcouru.

Pour autant le présent rapport ne saurait prétendre à l'exhaustivité, ni pour les installations actuelles ni pour les besoins futurs.

Introduction

L'histoire des très grands équipements commence en France avec la construction de l'Observatoire du Pic du Midi et du grand aimant de Bellevue. Au plan international, la multiplication des très grands équipements internationaux de recherche est un phénomène dont on peut dater l'origine aux débuts du CERN. En 1949, Louis de BROGLIE fait la proposition que l'Europe se dote d'un laboratoire scientifique européen susceptible de favoriser la reconstruction de la science européenne. Cette proposition est appuyée dès l'année suivante par l'UNESCO.

La mise en service en 1957 du premier accélérateur du CERN inaugure une nouvelle ère, d'une part celle de la coopération scientifique internationale et d'autre part la construction de très grands équipements dont le rythme de création s'accélère au début des années 1970.

Aujourd'hui, selon la nomenclature de la direction de la recherche du ministère chargé de ce secteur, la France a construit ou est impliquée dans une quarantaine de très grands équipements qui représentent une partie importante, surtout par sa visibilité, des investissements de la recherche.

Quelle est la contribution de ces très grands équipements à la science moderne ?

Représentent-ils des outils indispensables ou au contraire, par leur coût et leur nombre, sont-ils la marque d'une dérive d'une science fascinée par le gigantisme et oubliant d'être modeste et créative ?

Pour répondre à des questions aussi cruciales pour la recherche scientifique et les chercheurs, il était impératif de ne faire preuve d'aucun dogmatisme et de s'en tenir, dans un premier temps, à l'observation des faits.

La méthode suivie par vos Rapporteurs pour la deuxième partie de leur étude sur " les conditions d'implantation d'un nouveau synchrotron et le rôle des très grands équipements dans la recherche publique et privée " est identique à celle utilisée pour l'étude sur le synchrotron.

Vos Rapporteurs ont écouté, sans aucun a priori, les responsables des organismes de recherche et des grands laboratoires publics impliqués décrire les très grands équipements en service actuellement, leurs modalités de fonctionnement et leur rôle dans les disciplines concernées.

Différentes installations ont également été visitées, en nombre insuffisant certes, mais avec le souci de recueillir une expression directe des acteurs, sans le filtre des hiérarchies de toute nature.

Les quelques deux cents scientifiques auditionnés par vos Rapporteurs reconnaîtront dans certains des paragraphes qui suivent, les propos qu'ils ont tenus devant le groupe de travail, certains de ces propos étant cités, d'autres ne l'étant pas, faute de temps pour rendre compte en détail, en quelques six mois, d'une investigation aussi ambitieuse.

En tout état de cause, la responsabilité des considérations qui suivent n'incombe en rien aux scientifiques auditionnés puisque le choix de privilégier tel ou tel aspect n'est pas le leur.

Les comptes rendus des auditions fourniront une description plus complète et authentifiée par les intervenants eux-mêmes de la situation de chaque discipline.

Mais à l'occasion de ces rencontres avec les concepteurs ou les utilisateurs des très grands équipements, l'avenir a naturellement été évoqué.

Vos Rapporteurs ont évidemment invité leurs interlocuteurs à décrire en toute liberté les besoins prévisibles de leurs disciplines dans les années à venir, hors de toute contrainte hiérarchique ou budgétaire.

Il en résulte un tableau des besoins prévisibles des différentes disciplines qui donne une indication sur les investissements à réaliser dans les prochaines années pour les seuls très grands équipements.

Toutefois, pour raison garder et pour avoir une indication sommaire mais comparative sur les nouveaux besoins par rapport aux dépenses actuelles, un décompte précis de l'évolution des dépenses depuis 1990 faites pour les très grands équipements, a été fourni dans chaque cas, grâce aux statistiques fournies par la direction de la recherche du ministère de la recherche.

Après les visites réelles ou virtuelles des très grands équipements et l'écoute attentive des représentants de la recherche française impliqués dans cette question, on ne saurait dissimuler que l'ampleur des besoins d'investissements pour l'avenir est considérable.

Mais comment, dans le même temps, ne pas avouer que la passion mise par les chercheurs pour exposer leurs projets et le caractère fascinant des perspectives de la science moderne éclipsent quelque peu les contingences financières ?

I - PHYSIQUE DES PARTICULES

La physique des particules a pour principaux objectifs l'identification des constituants élémentaires de la matière, la compréhension des forces qui régissent l'Univers et la description de l'évolution de celui-ci depuis ses origines.

La recherche en physique des particules présente la caractéristique d'appartenir au domaine de la recherche fondamentale mais ses retombées indirectes sont importantes dans de nombreux domaines, comme l'électronique, l'informatique, le développement des accélérateurs, l'ingénierie des grands projets ou la formation à la recherche.

En outre, la physique des particules et l'astrophysique sont deux disciplines dont l'enrichissement mutuel s'accroît avec le temps.

La recherche en physique des particules recourt essentiellement aux très grands équipements, indispensables pour parvenir à mettre en évidence les particules élémentaires.

La masse critique très importante des investissements à réaliser pour cette recherche et une forte volonté de coopération internationale ancienne ont conduit à la création en 1954 du CERN, qui focalise les efforts de l'Europe et attire par sa réussite d'autres collaborations.

La communauté française de la physique des particules, qui dispose de ses propres laboratoires en France, apporte au CERN ses compétences et y réalise en coopération les expérimentations les plus lourdes et les plus complexes, moyennant une contribution budgétaire qui est l'une des plus importantes après celle de l'Allemagne.

On verra dans la suite dans un premier temps, quels sont les équipements lourds du CERN et à quelles dépenses ils correspondent pour la recherche française.

L'avenir du CERN sera ensuite évoqué à grands traits, dans cette période difficile qui s'ouvre pour lui après l'arrêt du LEP (grand collisionneur électrons-positons) le 2 novembre 2000 et avant la mise en service du LHC (grand collisionneur ions-protons) qui devrait intervenir dans les cinq ans.

1. Les équipements lourds de la physique des particules

Les équipements lourds de la physique des particules utilisés par les chercheurs français sont essentiellement représentés par les installations du CERN, qui comprennent une dizaine d'accélérateurs, dont le plus grand, le LEP, est un anneau de 27,5 km implanté à cent mètres de profondeur, à cheval sur la France et la Suisse aux environs de Genève.

Depuis sa création, le CERN a fait de nombreuses découvertes importantes en physique des particules et dans d'autres branches des sciences. Ces découvertes ont contribué à améliorer la compréhension de l'Univers. Bien que moins connue, la découverte des courants neutres en 1973 et le succès pour la première fois au monde de colbeam_fr.htmlcollisions de faisceaux de protons sont parmi les principaux temps forts de l'histoire du CERN. Le travail de recherche du CERN est aussi à l'origine de nombreuses inventions remarquables et d'avancées technologiques dont la plus célèbre est le World Wide Web.

Plusieurs scientifiques du CERN ont reçu des distinctions prestigieuses. Carlo RUBBIA et Simon VAN DER MEER ont obtenu le prix Nobel de physique pour " leurs contributions décisives au grand projet qui a conduit à la découverte des particules de champ W et Z, véhicules de l'interaction faible ". charpak_fr.htmlGeorges CHARPAK, physicien au CERN depuis 1959, reçut le prix Nobel de physique en 1992 pour " l'invention et la mise au point de détecteurs de particules, en particulier la chambre proportionnelle multifils, une percée dans la technique d'exploration des parties les plus infimes de la matière ".

Le CERN représente une accumulation considérable de grands équipements comme les accélérateurs et les détecteurs de particules. La communauté des utilisateurs du CERN rassemble près de 7000 scientifiques, chercheurs, ingénieurs, techniciens et étudiants. Cette communauté provient majoritairement des Etats membres mais s'étend désormais au delà de l'Europe, à la Russie, aux Etats-Unis, au Canada, au Japon et plus généralement à l'Asie.

Le budget du CERN a atteint 939 millions de francs suisses en 1999. La contribution de la France s'est élevée pour cette même année à 16,2 % du total. La contribution du Royaume-Uni atteint 15,7 %, celle de l'Allemagne 23,7 %, celle de l'Italie 13,6 % et celle de l'Espagne 6,4 %. Les contributions calculées en francs suisses sont proportionnelles au revenu national net et sont révisées chaque année en fonction de l'évolution de ce dernier.

Au cours de ses 20 premières années d'existence, le CERN a vu son budget augmenter puis se stabiliser et diminuer légèrement. En contrepartie de la décision prise en 1995 de lancer le LHC, un objectif de réduction des effectifs à 2000 postes en 2005 a été adopté.

On sait que le LEP, principale installation du CERN, a été arrêté le 2 novembre 2000, pour permettre la construction du LHC (Large Hadron Collider) qui constitue la nouvelle frontière du CERN pour la physique des particules. Cette machine mettra en jeu des particules d'une énergie plus élevée et devrait permettre de répondre à de nouvelles questions de la physique des hautes énergies.

La réalisation du LHC s'effectue selon un schéma renouvelé par rapport à celui du CERN.

L'investissement est en effet réalisé hors budget. Par ailleurs, de nouveaux participants sont admis à participer, en particulier les Etats-Unis et le Japon. Enfin le financement du LHC est assuré en partie sur emprunt.

Au demeurant, le budget du LHC est d'un montant équivalent à celui du LEP alors que ses performances sont largement supérieures, ceci ayant été rendu possible par le progrès technologique. La construction du LHC capitalise évidemment sur les équipements primaires déjà en fonction, dont le tunnel circulaire du LEP, les accélérateurs périphériques d'alimentation, et sur les compétences accumulées par le CERN.

L'investissement du LHC représente un montant de 2,5 milliards de francs suisses, dont 80 % à la charge du CERN et 20 % à la charge des participants non-membres. Les détecteurs représentent un montant supplémentaire de 1,2 milliard de francs suisses, dont 80 % à la charge des pays non-membres et 20 % à celle du CERN.

La première retombée que la France obtient du CERN provient des salaires. Les deux tiers des personnels du CERN vivent en effet en France mais les commandes à l'industrie française et régionale représentent également des montants importants.

Même si la notion de juste retour n'existe pas au CERN, un mécanisme de rééquilibrage des retombées a été mis en place au profit des pays les moins favorisés au milieu des années 1990.

2. Les TGE de la physique des particules dans la nomenclature actuelle

La nomenclature actuelle des très grands équipements (TGE) comprend actuellement deux TGE pour la physique des particules, d'une part la contribution de la France au budget du CERN et d'autre part la participation française au LHC.

Sur les deux premières années de la période, les dépenses des TGE de la physique des particules comprennent également l'accélérateur national d'électrons de Saclay arrêté en 1991.

Tableau 1 : Dépenses relatives à l'accélérateur d'électrons 1

millions de francs

dépenses

1990

1991

1992

1993

1994

1995

Accélérateur d'électrons

(TGE scientifique)

personnel

17

26

 

 

 

 

exploitation

 

4

 

 

 

 

construction

28

21

 

 

 

 

total

45

51

 

 

 

 

En 2000, la contribution budgétaire au CERN devrait représenter 74 % du total des TGE de la physique des particules et la participation au LHC 26 %.

On trouvera ci-après l'évolution des dépenses relatives respectivement au CERN et au LHC.

S'agissant du CERN sur la période 1990-2000 et de la charge qu'il a représenté pour la France, le cumul des dépenses de personnel s'élève à 4,16 milliards de francs, les dépenses d'exploitation à 1,806 milliard de francs et les dépenses de construction à 1,444 milliard de francs.

Tableau 2 : Evolution des dépenses relatives au CERN 2

millions de francs (français)

dépenses

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

CERN

(TGE scientifique)

personnel

337

359

370

369

407

433

422

392

375

360

336

exploitation

184

197

194

178

232

240

157

118

104

103

99

construction

83

90

124

105

74

83

164

145

155

191

230

total

604

646

688

652

713

756

743

655

634

654

665

La charge du LHC pour la France devrait représenter en 2000 environ un tiers de celle représentée par la contribution globale au CERN.

Tableau 3 : Evolution des dépenses relatives au LHC 3

millions de francs (français)

dépenses

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

LHC

(TGE scientifique)

personnel

 

 

 

42

65

117

162

136

166

167

170

exploitation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

construction

 

 

 

11

14

31

58

38

47

52

59

total

 

 

 

53

79

148

220

174

213

219

229

S'agissant des dépenses annuelles, la somme des dépenses de personnel, d'exploitation et de construction pour l'ensemble du CERN et du LHC s'élevait à 604 millions de francs en 1990 et devrait atteindre 894 millions de francs en 2000, soit une augmentation de 48 % en francs courants.

Figure 1 : Evolution des dépenses annuelles dans les TGE de la physique des particules

Figure 2 : Evolution des dépenses relatives aux TGE de la physique des particules par rapport aux dépenses totales des TGE scientifiques et techniques

Sur la période 1990-2000, on constate une fluctuation des dépenses de la part de la physique des particules autour de 20 % de la dépense totale pour les TGE. Néanmoins, plusieurs remarques peuvent être faites.

En premier lieu, le niveau absolu de la part de la discipline dans la dépense totale pour les TGE n'appellerait pas de commentaire particulier, si le nombre de disciplines faisant appel à des équipements lourds n'était pas lui-même en augmentation rapide.

Par ailleurs, une diminution de la dépense est enregistrée depuis 1994 jusqu'à 1999.

On peut se demander toutefois si l'augmentation prévue pour 2000 n'est pas le début d'une évolution à la hausse qui ramènerait durablement la part de la physique des particules vers un étiage supérieur à 20 % du fait de la construction effective du LHC.

3. Les besoins prévisibles

Les grands sujets scientifiques à l'ordre du jour du CERN en 2000 ont été la maximisation des dernières semaines de fonctionnement du LEP et le début de la construction du LHC.

Les défis à long terme du CERN sont la perpétuation de son leadership mondial en physique des particules et la pérennisation à long terme de son existence.

Sur un plan financier, le LHC inaugure une nouvelle méthode de management du CERN, avec une ouverture plus grande et le partage de la charge financière par un nombre accru de participants.

Une question importante est de savoir si le modèle du CERN va perdurer ou au contraire être remis en cause, du fait de tendances centrifuges qui pourraient s'accentuer rapidement à mesure de l'augmentation des retombées de cette recherche fondamentale.

Avec le LHC, le CERN va principalement explorer l'origine de la masse des particules et l'existence d'un monde de la matière au delà de celui qui nous est familier (nouvelles dimensions, monde supersymétrique, monde de l'antimatière).

Mais l'un des problèmes majeurs du CERN pendant la période de construction du LHC, est de conserver un spectre de recherches de haut niveau. A cet égard, le projet d'émission de faisceaux de neutrinos dirigés à travers la roche vers le laboratoire souterrain du Gran Sasso en Italie constitue un projet d'importance, qui bénéficie d'ailleurs du soutien de la France.

Cette contrainte de crédibilité scientifique à maintenir pourrait influer à la hausse sur les dépenses.

Un projet tel que le LHC nécessite un travail de conception, de développement et de construction qui s'étale sur environ 20 ans. Les recherches sur les détecteurs ont commencé il y a 15 ans. Les travaux sur le traitement des données qui seront obtenues à partir de 2005 ont commencé en 1995.

Sur un plan technique, l'après LHC est représenté d'une part par le projet de super-collisionneur linéaire TESLA, résultat d'une collaboration internationale de 29 institutions appartenant à 9 pays, dont la faisabilité est pratiquement démontrée. D'autre part, une deuxième voie est représentée par le projet CLIC, préparé par le CERN mais en retard d'au moins quatre années sur TESLA.

Sur un plan organisationnel, s'agissant de l'avenir du CERN au delà du LHC, la question fondamentale est de savoir si son modèle de laboratoire international peut continuer à apporter les meilleures solutions pour la construction de très grands équipements en physique des particules, plutôt qu'un laboratoire national engagé dans des partenariats bilatéraux.

Cette question est soulevée par la compétence croissante de l'Allemagne dans cette discipline scientifique.

En définitive, c'est la répartition des tâches et des équipements dans le monde qui suscite des interrogations.

L'Allemagne, premier contributeur budgétaire du CERN, souligne depuis plusieurs années l'insuffisance des retombées dont elle bénéficie en retour. Il est vrai qu'il existe une politique allemande vigoureuse en physique des particules et que ce pays réclame un rééquilibrage.

Selon certains observateurs, le soutien de l'Allemagne au CERN ne semble pas devoir être remis en cause, puisque les deux tiers des spécialistes du domaine travaillent au CERN, contre un tiers à DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron, Hambourg).

D'autres observateurs préféreraient que le CERN continue de jouer un rôle pivot même dans un avenir lointain, plutôt de voir le leadership pour la génération d'accélérateurs qui suivra le LHC être repris par DESY.

Le projet TESLA de super-collisionneur linéaire est en effet porté par DESY. Son coût est estimé aujourd'hui à hauteur de 2 à 3 milliards de dollars, soit de 14 à 21 milliards de francs, un montant encore sujet à des variations mais qui ne devrait pas significativement dépasser celui du LHC.

Les responsables du CERN proposent une répartition des rôles qui pourrait respecter les desiderata de chacun. Leur postulat de base est qu'après que l'Europe a fait l'effort principal pour le LHC, il revient naturellement aux Etats-Unis de prendre à leur charge, avec bien sûr le soutien de l'Europe, la plus grande part de TESLA, soit la moitié des coûts de construction et un engagement sur la durée du programme.

Dans ce schéma proposé par le CERN, l'Allemagne se verrait reconnaître la place de leader européen des sources de lumière avancées, c'est-à-dire en premier lieu des lasers à électrons libres (FEL - Free electron lasers) et bénéficierait d'une aide européenne à ce sujet.

Le CERN, quant à lui, s'attacherait à la modernisation du LHC et conserverait son rôle moteur dans les accélérateurs.

Toutefois, rien ne dit que l'Allemagne pourrait se satisfaire de cette répartition des rôles, qui, en tout état de cause, irait à l'encontre de ses ambitions dans la recherche fondamentale sur la physique des particules et à l'encontre des synergies des différentes recherches pratiquées à DESY, c'est-à-dire le développement des accélérateurs, la physique des particules et les études sur les lasers à électrons libres.

En filigrane, la question posée est de savoir si la rentabilité globale des investissements dans la physique des particules est bien maximisée dans le schéma actuel ou s'il conviendrait d'adopter un autre modèle à partir des années 2015-2020.