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Mesurer la simultanéité
Que fait un physicien lorsque son expérience nécessite un chronométrage d’une extrême précision? D’une précision telle que l’électronique existante n’est pratiquement d’aucun secours? Stefan Ritt, lui, a décidé sans autre forme de procès de développer lui-même une solution: sa puce électronique de haute précision, baptisée DRS4, pourrait bien permettre de déchiffrer les lois physiques qui gouvernent notre univers tout entier. Incidemment, elle permet aujourd’hui déjà aux médecins de localiser des tumeurs cérébrales de manière extrêmement précise.
Combien de temps dure un instant? Qu’est-ce que
maintenant, exactement? A partir de quand peut-on affirmer que deux événements se produisent simultanément? La réponse de Stefan Ritt à ces questions est pragmatique: il fractionne le temps en unités d’un billionième de seconde.
Simultanément signifie donc pour lui: dans l’espace du même billionième de seconde.
Avec cette définition, le physicien au PSI n’a pas dépouillé des cortèges de philosophes et de psychologues de leur mission. Cette définition de la simultanéité ne vaut que pour sa puce électronique.
Stefan Ritt est physicien et chef d’un groupe de recherche au PSI, mais la moitié droite de son bureau ressemble à un atelier d’électronique. Electronicien amateur selon ses propres dires, il s’est retrouvé confronté à un problème d’électronique dans le cadre de son expérience et a entrepris de trouver la solution pour le résoudre.
Des millions de muons pour des questions universelles
L’expérience en question porte sur des particules élémentaires exotiques appelées muons. A peine apparus, les muons se désintègrent en trois autres particules plus ou moins exotiques: un électron, un neutrino muonique et un antineutrino électronique. D’après certaines théories de physique, il existe encore une autre voie de désintégration, qui reste toutefois extrêmement rare: la désintégration du muon en un électron et un photon (particule lumineuse). Depuis des années, les physiciens au PSI recherchent cette désintégration, c’est-à-dire ses produits: des couples compatibles constitués d’un électron et d’un photon. Leur objectif est de déterminer si la désintégration en question est seulement rare ou tout à fait impossible.
Pour la communauté de la recherche, cette expérience avec des muons est un arbitre: s’il devait s’avérer que ladite désintégration existe, cela donnerait raison à une famille théorique; s’il devait s’avérer qu’elle n’existe absolument pas, un autre courant de pensée se verrait confirmé. Et tout cela aurait des conséquences importantes, car toutes ces théories décrivent notre univers – rien de moins.
Il y a 30 millions de désintégrations de muons par seconde: c’est le nombre d’événements que Stefan Ritt et ses collègues mesurent lorsque leur expérience est en cours. Cette masse colossale est la condition sine qua non si l’on veut pouvoir tracer la ligne de démarcation entre
extrêmement rare et
tout à fait impossible. Tout cela fait immanquablement penser à l’aiguille dans la botte de foin, à la différence près qu’ici, personne ne sait si l’aiguille existe.
Le couple dans la foule
Pour arriver à leurs fins, les chercheurs doivent donc recourir à toutes les astuces dont ils disposent, c’est-à-dire exploiter la particularité des couples électron-photon. Stefan Ritt a d’ailleurs une meilleure comparaison que la botte de foin:
Nos données sont comme une foule grouillante. Et nous cherchons dans cette foule un couple, dont les deux partenaires avancent ensemble en se tenant par la main.
A noter que l’expression
qui avancent ensemble est à prendre au sens figuré. En réalité, les deux produits de la désintégration s’éloignent l’un de l’autre à toute vitesse dans deux directions diamétralement opposées. C’est là qu’intervient la première astuce: dans leur expérience de grande envergure, les physiciens cherchent un électron et un photon qui atteignent des détecteurs situés à l’opposée l’un de l’autre. Deuxième astuce: l’énergie de chacun de ces deux produits devrait représenter exactement la moitié de l’énergie du muon d’origine. Troisième astuce, pour terminer: l’électron et le photon ne peuvent faire la paire que s’ils sont détectés exactement en même temps.
C’est là qu’intervient la définition de la simultanéité de Stefan Ritt, avec son billionième de seconde. Bien entendu, c’est un ordinateur qui se charge au final d’évaluer les données et c’est un logiciel qui statue sur cette simultanéité. Mais pour qu’ils puissent le faire, il faut d’abord que les données atteignent l’ordinateur.
Or, les données que fournit l’expérience sont analogiques, alors que les ordinateurs ne peuvent traiter que des données numériques. A l’heure actuelle, presque toutes les expériences menées dans le domaine de la physique nécessitent un
traducteur analogique-numérique; les techniciens parlent de convertisseur analogique-numérique (CAN ou convertisseur A/N). Normalement, un équipement standard comme un oscilloscope suffit, et presque aucun chercheur n’a besoin de se préoccuper de ce composant de son expérience.
A droite, il bricole, à gauche, il planifie
Mais ce n’est pas le cas pour l’expérience de Stefan Ritt. Avec 30 millions de désintégrations de muons par seconde et une précision temporelle de l’ordre du billionième de seconde, toutes les solutions électroniques prêtes à l’emploi seraient complètement dépassées.
Dès le début, nous avons su que nous devrions développer quelque chose de spécial, qui n’avait encore jamais été fait avant, explique Stefan Ritt.
Et c’est ainsi qu’en 2003, le physicien s’est mis à regarder par-dessus les épaules des électroniciens et à accumuler des platines et des boîtiers connecteurs, des composants électroniques et des fers à souder dans une moitié de son bureau. Aujourd’hui, quand on se tient au milieu de la pièce, c’est un peu comme si on se trouvait entre les deux moitiés de son cerveau: à droite, il bricole, à gauche à son pupitre, il cogite.
Le résultat issu de plusieurs années de développement est une puce électronique baptisée DRS4. Ce composant électronique plat mesure tout juste un centimètre. Si l’on compare le convertisseur analogique-numérique à un traducteur, alors le DRS4 est un interprète multilingue qui fait de la traduction simultanée, tout en étant champion du monde du débit rapide: chaque puce traite en effet une succession de données extrêmement rapide, simultanément sur huit canaux. Or, de ces puces, il en faut plusieurs centaines, car l’expérience avec les muons mobilise plusieurs milliers de détecteurs.
Pour résumer, la puce balaie chaque signal de particule et trouve sa position exacte dans le temps. Ainsi, cette dernière peut être déterminée au billionième de seconde près. Une prouesse technique. Stefan Ritt dit les choses plus sobrement:
A ma connaissance, aucune autre puce au monde n’est capable de chronométrer aussi précisément.
L' Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), une association professionnelle internationale d'ingénieurs, a également pris conscience de la puce DRS4 et a récemment attribué un prix prestigieux à Stefan Ritt.
Chronométrer pour localiser des tumeurs cérébrales
Cela rend la puce intéressante pour tous les autres scientifiques. Lors de conférences internationales, en discutant avec ses collègues venus d’autres disciplines, Stefan Ritt a fait le constat suivant:
Tiens, ils ont exactement le même problème que moi. Depuis, le PSI expédie la DRS4 dans le monde entier. A Tübingen (Allemagne), par exemple, un groupe de recherche médicale utilise la puce pour localiser des tumeurs cérébrales de manière aussi précise que possible: lors d’une tomographie à émission de positons, on cercle la tête du patient avec un anneau de détecteurs. Ces détecteurs enregistrent les particules issues de la désintégration d’un matériau radioactif qui a été introduit dans les cellules tumorales. Si c’est le détecteur situé en haut de l’anneau qui est atteint par une particule, plutôt que le détecteur d’en-face en bas de l’anneau par la particule correspondante, alors cela veut dire que la tumeur doit se trouver dans la partie supérieur par rapport au milieu de l’anneau. Le chronométrage exact de la puce de Stefan Ritt est incontournable pour localiser précisément la tumeur lors de cette procédure.
La vente de la puce électronique se fait par le biais du programme de transfert de technologie du PSI, à prix coûtant. Cela va tout à fait dans les sens de Stefan Ritt, qui est un fervent partisan de l’open source à tous les niveaux; le logiciel qu’il a créé pour la platine est évidemment livré gratuitement en accompagnement.
Un électronicien frappe à sa porte et entre dans son bureau. La programmation de la platine est bloquée quelque part, dit-il, lui-même ne sait plus quoi faire.
Pas de problème, répond Stefan Ritt. Pose-la là-bas, j’y jette un coup d’œil tout à l’heure.
Physicien, électronicien, programmeur: à l’évidence, si cet homme était juste chef d’un groupe de recherche, ses capacités ne seraient pas pleinement utilisées.
Texte: Institut Paul Scherrer/Laura Hennemann
Le principe des dominosPour expliquer les détails techniques de sa puce électronique, Stefan Ritt recourt à l’image des dominos: le nom DRS est d’ailleurs l’acronyme de
Domino Ring Sampler. Chaque détecteur fournit à la puce un signal électrique constant. Quand une particule atteint le détecteur, cette courbe du signal fait un pic en conséquence. Déterminer la position de ce pic avec exactitude, telle est la tâche de la puce et de la platine qui lui est adjointe.
Pour ce faire, l’output de chaque détecteur est continuellement fractionné en 1024 intervalles. Les points de mesure correspondants sont inscrits sur la puce dans 1024 cellules de mémoire. D’un point de vue technique, ces cellules de mémoire sont des condensateurs, mais pour simplifier, Stefan Ritt parle de petits seaux que l’on remplit d’informations. Or, pour remplir les seaux, il faut chaque fois qu’un commutateur correspondant soit actionné.
Le problème réside dans la marée de données que génère l’expérience: à cause d’elle, le remplissage de ces petits seaux doit se faire de manière très rapide. Pour cette raison, Stefan Ritt a adjoint une série de dominos virtuels à la puce. Chaque domino qui tombe actionne un commutateur pour remplir un seau, tout en faisant tomber le prochain domino, qui à son tour actionne le commutateur correspondant, et ainsi de suite. Par ailleurs, les dominos sont disposés en cercle. Ainsi, le remplissage des 1024 petits seaux redémarre sans cesse, et leurs informations sont actualisées en boucle. D’où la désignation
Ring Sampler.
Si un électron ou un photon atteint le détecteur, seule la chaîne des dominos doit être stoppée. Le signal du détecteur est alors aussitôt réparti dans les petits seaux et fixé. Il est pratiquement impossible d’être plus rapide.
L’information issue des petits seaux peut être alors lue sans hâte. La courbe de mesure répartie sur les 1024 petits seaux, et donc composée de 1024 points de mesure, est transmise à la platine électrique sur laquelle se trouve la puce. Cette platine, à peu près la taille d’un livre de poche, remplace l’oscilloscope, onéreux et aussi gros qu’une boîte à chaussures. Lors de l’étape suivante, la platine proprement dite assure la transformation des données analogiques en données numériques et la transmission du signal numérique à l’ordinateur où les calculs finaux sont effectués. Le logiciel à cet effet, Stefan Ritt l’a programmé lui-même.