Les coulisses des grandes expériences de physique des particules (1)

La physique des particules ou physique des hautes énergies met en œuvre des appareillages géants, probablement les plus complexes et les plus sophistiqués qui puissent être conçus. Cette complexité vaut à la physique des particules d'être classée sous l'appellation un peu réductrice de "big science" et d'être parfois dénigrée par certains chercheurs qui considèrent que le gigantisme expérimental tue le sens physique. Bien que ce jugement de valeur n'ait à mon avis pas beaucoup de sens et traduise une méconnaissance de la réalité, il faut reconnaitre que cette "big science" s'accompagne d'une méthodologie et d'une sociologie bien particulière. Il faut en effet mettre en place une organisation sans faille pour mener à bien de tels projets, impliquant de très nombreuses personnes d'origines diverses et des budgets conséquents. 

Cette note et la (ou les) suivante(s) présenteront quelques aspects de ces grandes expériences.

Comme mis en avant par le laboratoire Fermi aux États-Unis, les expériences sur les accélérateurs de particules visent en principe à repousser deux types de frontières :

• La frontière de l'énergie, où il s'agit de pousser l'énergie de collision au maximum afin d'explorer des domaines d'énergies correspondant à des phénomènes ayant eu lieu dans l'Univers à des périodes proches du Big-Bang.
• La frontière de l'intensité, où il s'agit pour un domaine d'énergie donnée - situé en deçà de la frontière en énergie - pousser l'intensité des faisceaux au maximum de manière à obtenir le plus grand nombre possibles de collisions et ainsi de mettre en évidence des phénomènes très rares.

L'histoire de la physique des particules et de ses découvertes est une succession d'avancées au niveau de ces deux frontières.

Lorsque l'on veut construire un accélérateur, se pose la question du choix de la particule à accélérer. On ne dispose actuellement que de deux choix pratiques : le proton et l'électron, chacun associé à leur antiparticule. Dans les accélérateurs circulaires, les particules perdent une partie de leur énergie par rayonnement synchrotron proportionnellement à leur énergie et à l'inverse de la puissance quatrième de leur masse. L'électron étant environ 2000 fois moins massif que le proton, à énergie égale, celui-ci va rayonner 16 000 milliards de fois plus ! A chaque tour d'accélérateur, il faudra donc compenser cette perte en communiquant une énergie encore plus grande. On comprend donc qu'il est plus intéressant d'accélérer des protons lorsqu'on veut repousser la frontière de l'énergie.

Malheureusement les protons ont le gros désavantage de ne pas être élémentaires. Les protons sont des objets complexes constitués de quarks et de gluons qui possèdent leur dynamique propre à l'intérieur du proton. À grande énergie, une collision proton-proton ou proton-antiproton est en fait une interaction entre les quarks et/ou les gluons. L'énergie totale disponible se distribue entre les constituants du proton et l'énergie utile lors de la collision est divisée par environ 6 (le nombre de quarks constituant les deux protons). D'autre part, le produit de la collision est complexe et les effets intéressants du point de vue de la physique sont dilués dans "soupe" de particules de basse énergie qui brouillent le résultat. Cette "soupe" provient des interactions "molles" des autres constituants élémentaires des protons.

Les machines à protons comme le Tevatron aux États-Unis ou le LHC au CERN sont typiquement des machines de découvertes. En poussant l'énergie des collisions, les physiciens explorent des territoires inconnus. C'est avec ce type de machine que la chasse au boson de Higgs ou aux particules supersymétriques s'effectue.

À l'inverse, les électrons sont des particules élémentaires, l'état initial lors de la collision est parfaitement connu, de même que l'énergie disponible. Cette énergie est d'ailleurs ajustable très finement ce qui permet d'explorer un domaine d'énergie spécifique. Les machines à électrons sont typiquement des outils pour l'étude de précise de certains phénomènes.  Le LEP a ainsi été qualifié de machine de métrologie pour les particules Z et W.

Bien souvent la découverte d'un nouveau mécanisme a lieu sur un collisionneur de proton et son étude est faite sur une machine à électrons. Ainsi, la découverte des bosons W et Z, médiateurs de la force électrofaible, a eu lieu en 1983 sur le SppS (Super proton antiproton Synchrotron) au CERN. Ces deux particules ont ensuite été étudiées en détails sur le LEP (Large Electron Positron collider). Il en sera sans doute de même pour le Higgs, qui s'il est découvert avec le LHC, sera produit abondamment et mesuré avec le futur collisionneur linéaire d'électrons.

La luminosité est une grandeur caractéristique des collisionneurs qui mesure leur capacité à produire des collisions exploitables pour la physique. Lorsque l'on pousse la luminosité à des valeurs extrêmes, les collisionneurs deviennent de véritables "usines" à particules et on les désigne de la sorte. Les machines PEPII au SLAC en Californie et KEKB au Japon ont ainsi été des usines produisant des mésons B (particule constituée d'un quark b et d'un autre quark léger) qui ont permis d'étudier en détail les asymétries entre matière et antimatière (violation de la symétrie CP). Les usines permettent également d'accumuler des statistiques considérables et ainsi de mettre en évidence des phénomènes très rares pouvant révéler l'existence d'une nouvelle physique.

La mise en œuvre d'un nouveau programme de recherche en physique des particules commence donc la plupart du temps par la conception d'une machine adaptée (ou la réutilisation d'une machine existante, si les caractéristiques de celle-ci le permettent).  

À suivre...

Des photons battus sur la ligne par une poignée de neutrinos !

La nouvelle a fait grand bruit ; l'expérience OPERA a mesuré le temps de propagation de neutrinos sur la distance séparant le CERN à Genève du laboratoire souterrain du GranSasso dans les Abruzzes en Italie, soit environ 730 km et a constaté que les neutrinos arrivent 60 ns (soit 60 milliardième de seconde) plus tôt que s'ils se propageaient à la vitesse de la lumière dans le vide !

OPERA est un détecteur conçu au départ pour détecter l'apparition de neutrinos de type tau dans un faisceau de neutrinos de type mu (voir cette note) afin de caractériser le phénomène dit d'oscillation des neutrinos. Pour ce faire, un faisceau de neutrinos de type mu est fabriqué au CERN et est envoyé à travers la croute terrestre vers le détecteur situé dans le laboratoire du Gran Sasso. Les neutrinos n'interagissant quasiment pas avec la matière, ils traversent les 730 km de roche se trouvant sur leur trajectoire, quasiment sans perturbation. Le détecteur, très massif (1250 tonnes) doit être exposé au faisceau pendant de très longues périodes pour observer quelques interactions de neutrinos. La mesure du temps de parcours des neutrinos n'est donc pas le but principal de l'expérience, mais un à côté intéressant. Une mesure similaire publiée en 2007 par la collaboration MINOS aux États-Unis indiquait une déviation par rapport à la vitesse de la lumière non significative au niveau statistique.

Pour réaliser cette mesure, il convient de parfaitement mesurer la distance entre la source des neutrinos et l'endroit où ils sont détectés. Ceci a été fait grâce à des balises GPS parfaitement étalonnées, positionnées au CERN et au Gran Sasso  et complété par des mesures géodésiques classiques afin déterminer les distances entre les balises et respectivement la source et le détecteur de neutrinos. La précision obtenue est de 20 cm sur les 730.534 km de distance !

Le deuxième élément de la mesure est la détermination du temps de propagation des neutrinos entre le CERN et le détecteur.  Il faut pour cela disposer d'une même référence de temps entre les deux sites. Le système GPS est là encore utilisé, mais fournit à lui seul une précision insuffisante de 100 ns.  Le GPS est donc complété par deux horloges atomiques, l'une au CERN et l'autre au Gran Sasso qui permettent de ramener la précision sur la référence commune de temps à 1 ns.  L'appareillage et son bon fonctionnement ont été validés par deux instituts indépendants, spécialistes de ce type de mesure.

La difficulté est ensuite que bien que l'on connaisse précisément le temps auquel un neutrino est détecté dans OPERA, on ne connait pas le temps exact d'émission de ce même neutrino au CERN. En effet, le faisceau de neutrinos est produit à partir de la désintégration de pions et de kaons, eux même produits par un faisceau de protons envoyé sur une cible. La seule référence temporelle est le pulse des protons initiaux que l'on peut associer au neutrino détecté, mais ce pulse dure 10.5 microsecondes, contient une multitude de protons  et il est impossible d'identifier quel proton individuel est associé au neutrino détecté. Par contre la structure temporelle des pulses est connue et stable dans le temps, on doit donc retrouver cette même structure au niveau du timing de l'ensemble des neutrinos détectés. Il s'agit là d'une analyse statistique classique dans laquelle le temps de propagation des neutrinos est une variable que l'on ajuste.

L'étude rapportée dans la publication de la collaboration OPERA porte sur 17000 interactions de neutrinos accumulées entre 2009 et 2011. Il faut souligner le fait que l'analyse a été menée en aveugle, c'est-à-dire que toute la procédure est mise au point sans regarder le résultat qui n'est dévoilé aux analystes qu'au tout dernier moment. Cela évite les biais subjectifs qui pourraient conduire les physiciens à modifier inconsciemment la méthode afin de trouver un résultat auquel ils s'attendent.

Le résultat est donc là ; les neutrinos arrivent 60.7 ns plus tôt  que s'ils se propageaient à la vitesse de la lumière dans le vide. L'incertitude sur cette mesure est de 6.9 ns due à la statistique (nombre limité de neutrinos) et de 7.4 ns due aux effets systématiques  expérimentaux (précision sur le temps, la distance, ...). La signification statistique du résultat est donc excellente puisque la valeur moyenne s'écarte de zéro par plus de 6 écarts standards (6 fois l'incertitude totale).

Devant ce résultat, qui s'il se confirme, aura des conséquences profondes sur notre connaissance de la physique ; l'ensemble de la collaboration OPERA (près de 200 physicien(ne)s)  s'est bien entendu creusée la tête pour essayer de trouver une erreur ou un biais dans l'analyse. N'ayant pu trouver de problème, le résultat a été publié  brut sans aucune tentative d'interprétation et présenté devant la communauté mondiale afin d'être évalué et critiqué. Une présentation publique a eu lieu le 23 septembre au CERN devant un amphi comble. Après 10 jours de réflexion la communauté internationale de la physique n'a pas été en mesure de trouver de faille dans la mesure et la majeure partie de cette communauté salue le sérieux du travail effectué ainsi que la démarche de la collaboration OPERA.

Il est bien entendu possible qu'un effet n'ait pas été pris en compte, si c'est le cas, c'est certainement quelque chose de très subtil et inattendu. Rappelons-nous que les spécialistes du LEP (Large Electron Positron collider) dans les années 90 étaient très surpris de constater une variation périodique et inexpliquée de l'énergie des faisceaux, jusqu'à ce que quelqu'un réalise qu'il s'agissait de l'effet de marée qui changeait très légèrement la géométrie de l'accélérateur.

La communauté est en attente d'une nouvelle mesure indépendante de la collaboration MINOS aux États-Unis qui utilise un faisceau de neutrinos passant à travers la croute terrestre, tout comme OPERA.

Commence t'on à voir le bout de la queue du Higgs ?

La vie des expériences de physique de particules est rythmée par les conférences d'hiver et surtout d'été. Sortes de grand-messes rassemblant plusieurs centaines de physiciens dont beaucoup ont travaillé d'arrache-pied pour que les collaborations soient prêtes à présenter leurs derniers résultats.

Cette année la grande conférence d'été HEP 2011, organisée par la European Physics Society (EPS) a lieu à Grenoble. Les sessions de vendredi dernier étaient très attendues car les expériences installées sur le collisionneur LHC du CERN devaient présenter leurs premières analyses tentant de mettre en évidence l'existence ou non du boson de Higgs.

La recherche du Higgs s'apparente vraiment à l'exploration minutieuse de bottes de foin pour découvrir quelques aiguilles. La signature de la désintégration du Higgs est noyée dans un bruit de fond gigantesque provenant d'autres processus physiques. Il faut faire appel à des procédure statistiques très complexes de manière à pouvoir extraire le maximum d'informations de la masse d'interactions enregistrées par les détecteurs. Aussi sophistiquées soient les techniques mathématiques, l'interprétation des résultats obtenus reste soumise aux lois de la statistique et on ne pourra jamais parler qu'en terme de probabilités d'avoir observé ou non un phénomène.

La communauté scientifique admet que lorsqu'un signal est observé et que la probabilité pour qu'il s'agisse d'une fluctuation est de l'ordre de 1/000 on parle "d'evidence" au sens anglo-saxon du terme qui est beaucoup moins fort qu'en Français. Pour parler de découverte, il faut que la probabilité pour que le signal observé ne soit qu'une fluctuation statistique soit de l'ordre, ou plus petite que 1 pour 10 millions !

Pour se rendre compte de l'impact réel de ces valeurs, on peut s'imaginer face à la situation où l'on va prendre un risque vital. Personnellement, si j'ai le choix, avec une probabilité de 1 chance sur 1000 d'y laisser ma vie, je ne prends pas le risque. Par contre je peux admettre d'avoir une chance sur 10 millions d'y laisser ma peau !

Les expériences ATLAS et CMS ont toutes deux présenté leurs résultats sur la recherche du Higgs. Pour l'instant aucun signal n'est visible et plusieurs régions en masse sont d'ores et déjà exclues à 99% de niveau de confiance (c'est à dire qu'il reste quand même un petit % de possibilité qu'il soit quand même là). Par contre, les deux expériences observent un excès de collisions présentant des caractéristiques similaires à la production d'un boson de Higgs dans la région de masse comprise entre 130 et 150 GeV.

Pour illustrer la chose, voici une figure présentée vendredi par ATLAS :

Figure présentée par Kyle Cranmer (NYU) à la conférence HEP 2011
à Grenoble. Voir la présentation ici

L'excès observé correspond à la zone indiquée par la flèche, où la ligne noire passe au dessus de la zone jaune.

Pour l'instant, on ne peut donc rien conclure et il faudra attendre que les expériences aient accumulé suffisamment de collisions pour savoir si l'excès se renforce et passe le seuil fatidique permettant d'annoncer une découverte, ou bien si l'excès se dilue dans le bruit de fond.

T2K

J'ai déjà parlé des neutrinos il y a quelques temps (voir ici et là). Les neutrinos sont donc des particules élémentaires dotées d'une très faible masse et dépourvues de charge électriques. Ils interagissent si peu avec la matière qu'ils peuvent traverser la Terre de part en part sans en être perturbés. Dans le modèle standard de la physique des particules, les neutrinos existent sous trois formes différentes appelées saveurs, chacune associée à une particule chargée - les électrons, les muons et les taus - l'ensemble formant la famille des leptons. Les neutrinos peuvent donc être du genre électronique, muonique ou tauique. Un neutrino électronique interagissant avec la matière par l'intermédiaire du processus physique appelé courant chargé va produire un électron, un neutrino muonique produira un muon et un neutrino tauique … un tau !

En 1998, les résultats de l'expérience super-Kamiokande ont confirmé la possibilité pour les neutrinos de changer de saveur au cours de leur trajet. Ce phénomène étrange, possible uniquement dans le cadre de la mécanique quantique est nommé : oscillation. Dans le but de simplifier et moyennant quelques accrocs à la rigueur scientifique, on peut dire que la probabilité d'oscillation d'une saveur de neutrino vers une autre dépend du rapport L/E, c'est-à-dire de la distance de vol du neutrino divisée par son énergie, de la différence de masse au carré des neutrinos mis en jeu et d'angles caractéristiques du mélange entre les différents neutrinos.

Jusqu'à récemment le phénomène d'oscillation n'avait été mis en évidence qu'en constatant la disparation de neutrinos d'une saveur donnée et d'énergie connue, après une certaine distance de vol. Au printemps 2010, l'expérience OPERA  a observé l'apparition probable d'un unique neutrino de type tau dans un faisceau de neutrinos de type muon produit au CERN à 730 km du détecteur et traversant la croute terrestre pour resurgir dans le laboratoire souterrain du Gran Sasso en Italie.

Il ya quelques jours, l'expérience T2K (raccourci pour Tokai to Kamiokande) a annoncé l'observation de 6 neutrinos électroniques dans un faisceau de neutrinos muoniques ayant parcouru 295 km entre l'accélérateur situé à Tokaï et le détecteur géant : super-Kamiokande. Les modélisations prédisent la détection de 1.5 neutrinos électroniques en l'absence d'oscillation ; la détection de 6 neutrinos est donc une indication forte pour l'existence d'une oscillation de la saveur muonique vers la saveur électronique, mais la signification statistique du résultat n'est pas encore suffisante pour annoncer une observation sans ambiguïté du phénomène.

Les physicien sont donc tenus en haleine en attendant un résultat portant sur une plus grande statistique, malheureusement l'accélérateur du complexe J-PARC à Tokaï qui produit le faisceau de neutrinos muoniques a subit des dommages lors du tremblement de terre de mars 2011 et ne pourra pas être remis en service avant la fin de l'année.

Avec OPERA et surtout T2K, la physique des neutrinos passe un cap important. L'enjeu est de taille, puisque dans ce mécanisme de mélange entre neutrinos, se cache peut-être l'explication de l'origine de l'asymétrie entre la matière et l'antimatière dans l'Univers, mais il faudra encore beaucoup de temps, d'énergie et d'astuce pour arriver à démêler l'écheveau complet de la physique des neutrinos.

Matière noire et statistiques

En 1933 Fritz Zwicky en estimant les vitesses de galaxies réunies en amas, découvre qu'il semble y avoir un désaccord important entre la masse des amas estimée à partir de la luminosité des galaxies qui les composent et la masse nécessaire pour rendre compte de la dynamique de l'ensemble. Ce soupçon se confirmera dans les années 1970 avec les mesures des vitesses de rotation des galaxies spirales qui montrent un très fort désaccord par rapport aux prédictions basées sur l'estimation de la distribution de la masse visible. Finalement, c'est l'analyse du rayonnement cosmologique à 2.7 Kelvins par le satellite WMAP, qui permettra de déterminer que la matière ordinaire composée d'atomes, représente un peu moins de 17% de l'ensemble de la matière présente dans l'Univers. Les 83% restants sont composés d'une matière inconnue qui ne rayonne pas, n'interagit pratiquement pas avec la matière ordinaire et ne se manifeste que par ses effets gravitationnels. Cette matière porte le nom de matière noire ou matière sombre à ne pas confondre avec l'énergie noire, composante majoritaire et non matérielle de l'univers, dont la nature est encore plus mystérieuse.

De nombreuses hypothèses existent quant à la nature de la matière noire, l'une des plus plausibles est qu'il s'agit de particules d'un genre nouveau, plutôt massives et donc  peu rapides (matière noire froide) et interagissant très peu avec la matière ordinaire. Ce type d'objet est connu sous l'acronyme de WIMP pour Weakly Interacting Massive Particle. Cette appellation est aussi un jeu de mots, puisque "wimp" signifie "mauviette" en anglais.

Si les hypothèses énoncées plus haut sont vraies, la matière noire est probablement présente partout dans l'univers et en particulier, il doit en exister de grandes quantités tout autour de nous à n'importe quel endroit de la Terre. La difficulté est évidemment de la détecter puisque par nature, ces WIMPs n'interagissent pratiquement pas avec la matière ordinaire. Toutefois, "pratiquement pas" ne veut pas dire "pas du tout" et on suppose que les WIMPs ont une petite probabilité de diffuser élastiquement sur les noyaux de la matière ordinaire, c'est-à-dire qu'un WIMP peut en quelque sorte "frapper" un noyau et mettre celui-ci en mouvement. Le terme "frapper" est ici une image simplificatrice qui recouvre des processus de physique des particules complexes dépendants de la nature de la matière noire.

A partir de ces hypothèses, des méthodes de détection de la matière noire ont été imaginées, l'idée est de détecter les effets du "choc" de la particule de matière noire sur un noyau du milieu détecteur. Plusieurs techniques sont possibles, l'une d'entre elles, utilisée dans les expériences CDMS aux USA et EDELWEISS dans le Laboratoire Souterrain de Modane en France, utilise des cristaux de germanium. Le noyau de germanium qui recule sous "l'impact" de la particule incidente, ébranle le réseau cristallin et cette excitation appelée "phonon" se propage dans le cristal. La propagation du phonon s'accompagne d'une très petite élévation de température qui peut être détectée par un système adapté. Ce type de détecteur s'appelle un "bolomètre". L'avantage du germanium est qu'il est également très bien adapté pour détecter l'ionisation provoquée par le mouvement du noyau qui arrache quelques électrons aux atomes environnants.

En combinant les mesures simultanées d'ionisation et de chaleur on possède un système de détection particulièrement efficace, encore faut-il être capable de lutter contre le bruit de fond dû à des particules standards qui peuvent simuler un signal de matière noire.  Pour cela les précautions suivantes sont prises :

• Les détecteurs sont installés dans des laboratoires souterrains afin que quelques milliers de mètres de roche absorbent l'essentiel du rayonnement cosmique.
• Les détecteurs sont refroidis à quelques centièmes de Kelvin afin d'être capables de mesurer les dépôts de chaleurs minuscules associés aux phonons.
• Il faut blinder les détecteurs pour les protéger de la radioactivité naturelle, pour cela on les enferme dans des enceintes en plomb, mais étant donné que le plomb est naturellement un peu radioactif on utilise du plomb archéologique trouvé dans des épaves de bateau, dont les isotopes radioactifs ont disparu par désintégration naturelle. De même tous les matériaux constituant l'expérience doivent être choisis avec beaucoup de soin pour éviter les plus infimes contaminations radioactives.
• On blinde également contre les neutrons qui dans certains cas simulent très bien l'effet de la matière noire.

Tout ceci fait, il ne reste plus qu'à mettre les détecteurs en route et à attendre que les hypothétiques particules de matière noire veuillent bien interagir avec quelques noyaux. Même en prenant toutes les précautions possibles, il est inévitable que quelques bruits de fond insidieux subsistent encore. Ce bruit de fond, dit irréductible ne pouvant, par définition pas être évité, il faut le modéliser du mieux possible afin de savoir combien d'interactions parasites doivent être attendues en un temps donné.

Après un certain temps d'exposition du détecteur et une analyse fine des mesures destinée à écarter les interactions qui ne sont manifestement pas dues à la matière noire, les physicien(ne)s se retrouvent avec un certain nombre de candidats dont il est impossible de savoir s'il s'agit de bruits de fond ou de signaux de matière noire. Heureusement les statistiques viennent à notre secours et plus particulièrement la loi de Poisson qui s'énonce comme suit:

Cela semble compliqué, mais c'est en fait très simple. Si les modélisations du bruit de fond que l'on a essayé de faire le plus précisément possible, indiquent que durant le temps de mesure du détecteur on s'attend en moyenne à détecter lambda interactions de bruit de fond, alors la loi de Poisson nous donne la probabilité d'observer en réalité k interactions, toutes dues au bruit de fond.  En effet, la nature probabiliste du phénomène, fait que si en moyenne on attend par exemple 3 occurrences d'un évènement, il se peut que seulement 2 ou bien 4 ou même une seule soient observées.

Par exemple si on attend en moyenne 0.9 interaction de bruit de fond, la probabilité d'en observer 3 sera égale à 5%, ce qui n'est pas suffisamment significatif pour prétendre à une découverte de la matière noire. Par contre si on en observe 6, alors la probabilité que ce ne soit que du bruit de fond chute à 0.03%, il y a alors une très forte probabilité pour que l'expérience ait observé un phénomène nouveau ou bien pour que le bruit de fond soit mal modélisé...

Récemment l'expérience EDELWEISS a détecté 5 interactions pour un peu moins de 3 attendues, on ne peut donc strictement rien en déduire quant à l'existence ou non de la matière noire. Cette mesure permet toutefois de contraindre les modèle théoriques. Ceci dit, plusieurs expériences à travers le monde traquent la matière noire depuis des années, les détecteurs sont de plus en plus sensibles, il est donc possible qu'une bonne surprise apparaisse très prochainement...

La grande saga des neutrinos (suite)

... donc, dès 1968 Davis et ses collaborateurs se rendent compte qu'ils observent environ 3 fois moins de neutrinos solaires que ce que prédisent les modèles décrivant le Soleil. La communauté scientifique est sceptique et on la comprend ! L'expérience est tellement complexe qu'il est facile de supposer que le déficit de neutrinos est dû à un biais expérimental. Mais Davis s'accroche et vérifie minutieusement tout le protocole expérimental. Les expériences se succèdent, les techniques s'affinent, les modèles solaires également... le déficit est toujours là et petit à petit la communauté se convainc qu'il y a bien un problème.

Dans les années 80 plusieurs expériences cherchent à mettre en évidence la désintégration du Proton, là encore, il faut placer d'énormes détecteurs au fin fond de mines ou de tunnels, pour les protéger du rayonnement cosmique. Le Japonais Masatoshi Koshiba est le concepteur de l'expérience KamiokaNDE, initialement destinée à la traque de la désintégration du Proton, est également capable de détecter les neutrinos solaires. Lorsqu'il a rédigé la proposition d'expérience, Koshiba avait écrit à tout hasard que si une supernova explosait dans notre galaxie ou sa proche banlieue, le détecteur serait capable de détecter le flux de neutrinos associé. Bingo ! La supernova 1987A explose et plusieurs détecteurs dont Kamiokande détectent une petite bouffée de neutrinos. Fort de ce succès, le Japon se lance dans la construction d'un détecteur 15 fois plus gros: Super Kamiokande ou plus simplement Super-K qui est mis en service en 1996.

Super-K, en plus des neutrinos solaires est également sensible aux neutrinos atmosphériques. Ces derniers proviennent de la désintégration des muons, eux-mêmes issus de l'interaction des rayons cosmiques dans l'atmosphère. Les neutrinos atmosphériques traversent la Terre, un petit nombre interagissent près du détecteur Super-K et ce dernier voit un muon qui semble provenir de la Terre (il se propage du bas du détecteur vers le haut), cette signature très particulière permet d'identifier les neutrinos atmosphériques sans ambigüité. En 1998 le résultat tombe: Super-K observe un déficit de neutrinos atmosphériques.

Les neutrinos sont donc bien bizarres; les neutrinos électroniques du Soleil disparaissent, il en est de même des neutrinos muoniques de l'atmosphère. Les phénomènes physiques créant ces neutrinos sont complètement différents, le flux de rayons cosmiques est parfaitement connu, la raison du déficit observé est donc lié à la nature même des neutrinos et non pas à la source qui leur donne naissance. Curieusement ce double mystère est la clé qui permet de rassembler les pièces du puzzle.

Nous l'avons vu précédemment, les neutrinos existent sous trois formes appelés "saveurs": électroniques, muoniques et tauiques. Grâce à un phénomène purement quantique, les neutrinos, lors de leur propagation, peuvent se transformer d'une saveur vers une autre. Un neutrino électronique du Soleil va ainsi se transformer en neutrino muonique puis redevenir un neutrino électronique ou se retransformer en neutrino tauique et ainsi de suite. C'est ce qu'on appelle le phénomène d'oscillation des neutrinos.

Le détecteur de Ray Davis n'étant sensible qu'aux neutrinos électroniques, celui-ci ne verra pas les neutrinos qui se sont transformés et observera donc un déficit de neutrinos. De même pour les neutrinos atmosphériques (de type muonique), une partie de ceux-ci se transforment au cours de la traversée de la Terre en neutrinos tauiques et ne sont pas vus par Super-K. L'existence de ce phénomène mis en évidence sans ambigüité par Super-K en 1998 pour les neutrinos atmosphériques, puis par le Sudbury Neutrino Observatory (SNO) en 2001 pour les neutrinos solaires, prouve que les neutrinos ont une masse. En effet, le phénomène d'oscillation est impossible pour des neutrinos de masses nulles.

Ces résultats sont expérimentalement très intéressants, mais ils sont malheureusement basés sur la disparition des neutrinos, c'est-à-dire sur leur non-détection, ce qui est toujours moins convaincant qu'une observation positive. L'expérience OPERA, installée dans le tunnel souterrain du Gran-Sasso dans les Abruzes en Italie, a pour but de détecter les oscillations de neutrinos par apparition. Pour cela, le CERN, à partir d'un faisceau intense de Proton bombardant une cible, fabrique un faisceau de neutrinos muoniques qui est dirigé, à travers la croute terrestre vers le détecteur OPERA situé 730 km plus loin au Gran Sasso. En raison de la rotondité de la Terre, le faisceau s'enfonce à plus de 11 km en dessous de la surface avant de ré-émerger dans le tunnel. Le CERN envoi e cent milliard de neutrinos muoniques par jour vers OPERA, l'expérience espère détecter entre 10 et 20 neutrinos tauiques correspondants a un changement de saveur en cinq ans !

Très récemment la collaboration OPERA a publié l'observation du premier candidat neutrino tauique. L'image ci-dessous est la représentation graphique de l'interaction du neutrino tauique dans un élément de détecteur. La petite trace 4 est identifiée comme le lepton tau qui se désintègre très rapidement en donnant la trace 8. L'angle bien marqué entre les traces 4 et 8 constitue la signature très claire qui est attendue pour une interaction de ce type.

OPERA doit maintenant confirmer cette indication par l'observation de nouvelles interactions du même type, il sera alors possible d'en déduire certains paramètres fondamentaux du phénomène d'oscillation.

La grande saga des neutrinos

Les neutrinos forment une famille de particules élémentaires aux propriétés tout à fait fascinantes. Leur histoire commence avec la découverte de la radioactivité par Becquerel  en 1896 qui fut largement complétée un peu plus tard par Pierre et Marie Curie. La radioactivité existe sous plusieurs formes. La forme dite "bêta" se caractérise par l'émission d'un électron.  Si l'électron était émis seul, il devrait posséder une énergie bien précise, or lorsqu'on mesure celle-ci on observe toute une dispersion de valeurs (ce qu'on appelle un spectre) comme si une autre particule était émise dans la réaction. Les physiciens eurent beau chercher, ils ne trouvèrent rien pendant très longtemps. Niels Bohr envisagera même de renoncer au dogme de la conservation de l'énergie.

En 1930 Wolfgang Pauli, physicien un peu excentrique envoie à ses collègues une curieuse lettre commençant par ses mots:
"Chers dames et messieurs radioactifs,
Je vous prie d'écouter avec beaucoup de bienveillance le message de cette lettre..."
Il tente d'expliquer la dispersion de l'énergie de l'électron par l'émission d'une particule électriquement neutre et indétectable qu'il nomme "neutron". Il précise que ce "neutron" doit avoir une très faible masse.

En 1932, le neutron est découvert par James Chadwick, malheureusement, ce "neutron", bien que neutre comme son nom l'indique, est beaucoup trop lourd pour expliquer le spectre d'énergie des électrons dans la désintégration bêta.

L'idée de la particule de Pauli continue de faire son chemin et Francis Perrin montre que sa masse doit être plus petite que celle de l'électron qui ne pèse déjà pas bien lourd, il envisage même qu'elle puisse être nulle. En 1933, Enrico Fermi propose d'appeler la particule de Pauli le "neutrino", c'est-à-dire le "petit neutron".

En 1934, le mystère s'épaissit, Hans Bethe et Rudolf Peierls montrent que cette mystérieuse particule sera bien difficile à détecter puisqu'elle pourrait traverser la terre sans interagir !

Donc, en 1934 on suppose qu'il existe une particule neutre, de très faible masse, peut être même sans masse, qui n'interagit quasiment pas avec la matière et qui est associée à l'électron dans la désintégration bêta de certains noyaux. La question est donc de trouver le moyen de mettre en évidence cette "chose". Si le neutrino interagit très peu avec la matière, il faut en produire beaucoup dans un espace minimum afin d'avoir une chance d'en détecter une infime fraction. Nous sommes dans les années 50 et on envisage assez sérieusement d'utiliser une explosion nucléaire puisque celle-ci serait une source intense de neutrinos et qu'en ces années là, ça explose à tout va. Une autre solution est de placer un détecteur auprès d'une centrale nucléaire. C'est ce que font Frederick Reines et Clyde Cowan en 1956. Le neutrino ou plus exactement l'anti-neutrino est au rendez-vous et est enfin mis en évidence 60 ans après la découverte de la radioactivité !

L'histoire se compliqua encore un peu lorsqu'on réalisa que les neutrinos peuvent exister sous trois formes et que chacune d'entre-elles est associée à une autre particule, l'ensemble formant la famille des leptons (du grec "leptos": léger). Le neutrino électronique est associé à l'électron, le neutrino muonique au muon et le neutrino tauique au tau. Un neutrino électronique qui interagit produira un électron, un neutrino muonique un muon et de même pour le tau. Le neutrino tauique, postulé pendant très longtemps, ne sera mis en évidence qu'en 2000 par l'expérience DONUT du FNAL (États-Unis).

Un autre mystère qui entoure toujours le neutrino concerne sa masse, en effet celle-ci  est tellement petite et difficile à mesurer  qu'on ne la connait toujours pas aujourd'hui. On sait juste qu'elle est non nulle.

La quasi absence d'interaction des neutrinos avec la matière est d'un certain point de vue un avantage considérable. En effet, beaucoup de phénomènes de l'Univers produisent des neutrinos, et ceux-ci une fois produits, traversent le cosmos sans interagir. Ils sont donc porteur d'une information qui n'est pas perturbée au cours de leur long voyage. Par exemple, les réactions nucléaires dans le Soleil produisent des quantités énormes de neutrinos qui  balayent la Terre et qui peuvent nous renseigner sur les mécanismes physiques présents au cœur même de notre étoile.

Chaque cm2 de surface de la Terre est bombardé à chaque seconde par 65 milliards de neutrinos. Malheureusement, chaque neutrino solaire n' a qu'une chance sur 1000 milliards d'être arrêté par la Terre. La détection des neutrinos du Soleil est donc un défi. Dès 1948, c'est-à-dire avant la première mise en évidence du neutrino, le physicien Italien Bruno Pontecorvo, propose déjà une technique de détection des neutrinos solaires utilisant leur interaction avec le Chlore. L'expérience est construite entre 1965 et 1967 par Ray Davis dans la mine de Homestake dans le Dakota du Sud, à 1400 m sous terre afin de se protéger du rayonnement cosmique. Le défi est énorme, il faut filtrer et traiter chimiquement 400 m3 de liquide chloré afin de détecter un seul atome d'Argon par semaine qui signe l'interaction d'un neutrino. L'expérience fonctionnera durant 24 ans (!) et permettra non seulement de détecter les neutrinos solaire, mais également de se rendre compte que leur flux est bien plus faible que ce qu'on attend. Mais cela est une autre histoire qui fera l'objet d'un autre article…

Pour en savoir plus sur les neutrinos, voir par exemple ici ou encore là.

LHC (2)

La panne majeure survenue peu de temps après la mise en service du LHC en 2008 et la façon dont elle est traitée mérite que l'on s'y attarde, car elle illustre bien ce qu'est la recherche de pointe dans un domaine hautement technologique.

Il faut bien comprendre que la mise en service d'une machine de cette complexité ne se fait pas en pressant un simple bouton, et surtout que celle-ci n'atteint pas ses performances nominales du jour au lendemain. On commence par injecter un seul paquet de particules à la fois (des protons pour le LHC)  et on fait progresser ceux-ci, secteur de machine par secteur de machine. Durant ces opérations, des systèmes sophistiqués permettent de contrôler le comportement des particules et le fonctionnement de la machine. Les multiples paramètres sont petit à petit ajustés afin d'améliorer la qualité des faisceaux. Parallèlement, les systèmes de sécurité sont testés de façon à être sûr de pouvoir détecter les problèmes et contrôler les éventuelles pertes de faisceau. En cas de défaillance d'un aimant, il ne s'agit pas que le faisceau parte n'importe où et endommage la machine où les détecteurs. Un faisceau de particules énergétique a en effet la capacité de percer le tube à vide dans lequel il circule et même de faire fondre les équipements qu'il toucherait.  Les premiers paquets de particules ne sont pas accélérés, ils sont juste guidés dans la machine.

Les tout premiers faisceaux ont circulés dans le LHC le 10 septembre 2008. Une fois les premiers réglages effectués, il a été décidé de commencer à accélérer les faisceaux, ce qui implique d'augmenter le courant dans les aimants supraconducteurs afin de guider ces particules plus énergétiques. Le 19 septembre, lors d'un test à 5 TeV, une panne majeure est survenue entrainant une rupture du tube à vide,  et une fuite très importante d'Hélium liquide aussitôt vaporisé dans le tunnel de l'accélérateur. Les dégâts ont été considérables et des aimants de plusieurs tonnes ont été arrachés de leur support.

Pour comprendre ce qui s'est passé, il faut savoir que l'ensemble de la machine est supraconductrice, c'est-à-dire que l'électricité circule dans les aimants refroidis à très basse température sans résistance électrique. Il arrive dans de tels systèmes que sous l'effet d'un défaut, une petite zone d'un câble bascule de l'état supraconducteur à l'état conducteur. Le défaut se propage alors, et tout un aimant peut brutalement redevenir conducteur, c'est ce qu'on appelle un "quench". Le courant  se retrouve à circuler dans un système résistif qu'il fait donc chauffer comme une vulgaire résistance. Ceci serait sans conséquence avec un courant faible. Le problème est que dans le LHC le courant atteint des milliers d'Ampères, ce qui correspond à une énergie énorme qui doit s'évacuer. Ce phénomène est bien connu des spécialistes de la supraconductivité, et des systèmes sont prévus afin de guider le courant à la terre en cas de "quench". Pour le LHC c'est la jonction entre la partie supraconductrice et ce système de mise à la terre qui a été mal réalisée. Le courant ne pouvant s'évacuer, a littéralement fait fondre les conducteurs.

Après une période d'investigation, afin de comprendre l'origine de l'incident, des équipes entières d'ingénieurs ont travaillé d'arrache pieds pour: nettoyer les dégâts (une grosse quantité de suie a été trouvé dans le tube à vide), remettre en état la portion de la machine endommagée, mettre au point des techniques de mesures afin de repérer les autres points faibles du même type, concevoir et installer des systèmes de protection afin qu'un incident similaire ait des conséquences moins fâcheuses, élaborer une stratégie de réparation, etc. Le tout avec un accélérateur de 27 km de circonférence et comptant environ 6000 aimants. C'est un véritable travail de titans qui a été entrepris afin de redonner aux physiciens une machine utilisable à l'automne 2009.

Malheureusement le problème de connexion ne peut être totalement résolu et l'ensemble de la machine doit être revu et modifié. En attendant, les mesures montrent que le LHC peut fonctionner avec un risque minime à une énergie de 3.5 TeV par faisceau. La stratégie choisie collégialement lors d'un atelier qui a eu lieu à Chamonix fin janvier et entérinée par le Directeur Général du CERN, est de faire fonctionner le LHC à 3.5 TeV par faisceau en 2010 et 2011 jusqu'à ce qu'un  nombre donné de collisions soit enregistrée par les détecteurs. La machine s'arrêtera alors en 2012 pour un changement complet des pièces mal conçues et ce n'est qu'à partir de 2013 que l'énergie nominale de 7 TeV par faisceau sera atteinte.

Le LHC est une machine d'une complexité extrême, c'est une machine unique.  Le problème aurait probablement pu être évité par une meilleure conception et une meilleure vérification des jonctions électriques, mais on ne peut certainement pas critiquer ceux qui ont conçu cet accélérateur, qui ont résolu des milliers de problèmes et sont passés outres toutes les difficultés techniques… sauf une…

Quant au boson de Higgs, il restera très probablement caché encore quelques années, mais les physiciens ne seront pas au chômage pour autant, des tas d'autres recherches pourront être effectuées sur les données accumulées en 2010 et 2011 et je suis absolument certain que l'imagination fertile de mes collègues fera des miracles afin d'en extraire toute la connaissance possible.

Photo - Copyright CERN

LHC (1)

Le LHC (Large Hadron Collider) est l'accélérateur de particules le plus puissant au monde, c'est l'exemple typique d'un très grand instrument qui pousse la technologie à ses limites pour les besoins de la recherche fondamentale. Et à ce niveau, quand on parle de fondamental, on a en tête des questions qui touchent à l'existence même des choses.

L'origine de la masse par exemple : il se trouve que la physique s'accommode fort bien de particules élémentaires sans masse et que quand on essaye d'expliquer pourquoi certaines d'entre elles sont massives, il faut faire intervenir des mécanismes complexes qui viennent briser la belle symétrie naturelle de la nature et qui prévoient l'existence d'une ou de plusieurs autres particules qui doivent se manifester aux énergies atteintes par le LHC. Il s'agit du ou des fameux boson(s) de Higgs, dont certains ont peut-être entendu parler.

Un autre exemple est l'asymétrie entre la matière et l'anti-matière : Lors du Big Bang, quand les premières particules sont apparues, tout laisse penser que la belle symétrie du monde (encore elle !) faisait qu'il y avait autant de matière que d'anti-matière. Les particules de matière s'annihilaient immédiatement en rencontrant leurs anti-particules et en produisant du rayonnement qui était lui-même réabsorbé par la matière très dense et très chaude qui prévalait à l'époque. Sans une très légère asymétrie dans les processus d'annihilation, l'Univers n'aurait pas évolué vers ce que nous connaissons, puisque, autant qu'on puisse en juger, il semble bien que nous vivions dans un monde de matière ! Nul n'a jamais observé de galaxies d'anti-matière ni d'anti-étoiles. Là encore, le LHC est à même, si ce n'est d'élucider totalement le problème, de mettre en évidence des processus physiques qui se comportent différemment pour la matière et l'anti-matière et qui expliqueraient donc l'asymétrie observée.

Dernier exemple, la matière noire et l'énergie noire qui contribuent à environ 96% de la densité d'énergie de l'Univers et dont on ne connait pas la nature. En d'autres termes, la matière ordinaire qui nous entoure ne représente que 5% de l'Univers et personne ne sait de quoi est fait le reste. Des arguments solides tendent à indiquer que les expériences installées sur le LHC pourraient mettre en évidence des particules et des processus permettant de comprendre ce "léger" problème.

On pourrait citer plusieurs autres questions fondamentales que le LHC et ses expériences vont peut-être contribuer à résoudre. On peut à juste titre, se demander comment les physiciens peuvent avoir l'aplomb de prétendre savoir à l'avance ce qu'une machine qui explore un territoire inconnu va découvrir ? La réponse tient au fait que d'une part il faut que la physique soit cohérente, c'est-à-dire que quelques règles de base soient vérifiées, comme la conservation de l'énergie ou le fait qu'une probabilité ne puisse être plus grande que 1. D'autre part, la mécanique quantique qui décrit le monde des particules, fait que des phénomènes qui se passent normalement à très hautes énergies peuvent laisser quelques indices à plus basse énergie. Ces deux éléments permettent de dire qu'à coup presque sûr le LHC va mettre en évidence des phénomènes nouveaux. Si rien ne se manifeste, il faudra alors reprendre tout un pan de la physique pour comprendre ce qui ne va pas. Une sorte de "gros bug" dans le système en quelque sorte.

Le LHC a été imaginé il y a 30 ans, il s'est peu à peu concrétisé et les expériences ont été conçues il y a une quinzaine d'années. Au moment où on a imaginé les caractéristiques des appareillages, la technologie ne permettait pas de les construire, il a donc fallut se lancer dans de complexes programmes de recherches et développements pour finalement arriver à des objets réalisables et optimisés afin de fournir les meilleures performances à un coût maitrisé.

Après des débuts difficiles en 2008 sur lesquels je reviendrai dans une autre note, le LHC a fournit ses premières collisions à la fin de l'année 2009. Il va maintenant monter en énergie et en intensité pour fonctionner deux ans durant, ensuite un arrêt d'une année sera nécessaire pour remédier à certains problèmes. Ce ne sera qu'en 2013 qu'il développera toutes ses capacités. La physique des particules est un long chemin, certains ont travaillé 15 ans sur ces appareillages et sont partis en retraite avant même d'en recevoir les fruits. 2010 et 2011 vont être des années formidables d'exploration de terres inconnues, espérons que la Nature sera généreuse et qu'elle nous réservera quelques surprises.