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Des collisions avec une énergie inégalée enregistrées grâce à la technologie de l'Institut Paul Scherrer
C'est au CERN que les premières collisions de particules à une énergie la plus haute jamais générée par l'homme ont été mesurées. Elles ont été enregistrées au CERN dans le cadre de l'expérience CMS, à laquelle le PSI a contribué en fournissant l'un des composants essentiels, à savoir le détecteur central à pixels. Après un laps de temps inhabituellement court, l'analyse de ces données a rapidement donné lieu aux premières publications scientifiques – le fruit du travail de 3 000 chercheurs et ingénieurs issus de quelque 40 pays qui ont collaboré à cette gigantesque expérience.
Pendant une année, le nouvel accélérateur circulaire du CERN était à l'arrêt en raison d'une panne importante. Il a repris du service en novembre 2009. Et il fonctionne tellement bien qu'un très grand nombre de protons, issus de deux faisceaux, ont pour la première fois pu entrer en collision. Chaque collision frontale entre deux protons entraîne la formation de nouvelles particules élémentaires, qui s'écartent les unes des autres comme dans une explosion. Le détecteur à pixels développé à l'Institut Paul Scherrer ne se trouve qu'à quelques centimètres du lieu de la collision et enregistre la direction de vol des particules depuis cet emplacement. La couche la plus interne des trois couches du détecteur à pixels qui entourent, à la manière des couches d'une grande matriochka, le faisceau avec les protons qui se percutent, ne se trouve qu'à une distance de 4 cm du lieu de collision des protons. Elle doit fournir un travail d'une très grande précision, car elle livre des images en trois dimensions des trajectoires des particules. En l'espace de quelques heures seulement, les chercheurs des instituts participants ont pu recueillir suffisamment de données pour procéder à une première mesure physique des particules. Cette mesure a confirmé les estimations préalablement faites par simulations informatiques et a ensuite donné lieu à un premier article scientifique relatif à cette expérience. Cet article a été accepté pour publication en un temps record. Les scientifiques ont enfin la certitude que leur détecteur fonctionne comme prévu.
Un projet fou
Le seul développement du détecteur à pixels a nécessité 15 années de travail accompli par des dizaines de scientifiques – et pas uniquement du PSI, mais également d'autres instituts. L'université de Zurich a ainsi apporté les compétences mécaniques relatives aux constructions légères en fibre de carbone. L'EPF Zurich a grandement contribué au design du système électronique global. Des éléments essentiels, tels que la technique d'assemblage, les capteurs et les puces de mesure, ont été conçus au PSI. Le détecteur y a également été assemblé.
Roland Horisberger, le responsable du projet, se souvient
qu'au début, ce projet était tout de même assez fou. On avait besoin d'un détecteur précis et performant, mais qui ne pouvait pas être construit avec les technologies dont on disposait à l'époque. C'est pourquoi il fallait partir de zéro pour tout développer. Il n'y avait qu'une vision ambitieuse, dont personne ne savait si elle allait se réaliser. Sa faisabilité pratique a été démontrée depuis fort longtemps maintenant. Car les détecteurs basés sur la technologie ainsi développée sont utilisés depuis quelques années déjà dans le cadre de la Source de lumière synchrotron suisse SLS, l'une des grandes installations de recherche du PSI. Par ailleurs, le détecteur à pixels a également trouvé de solides applications commerciales. L'entreprise Dectris, une spin-off du PSI, construit et commercialise ces détecteurs avec un immense succès dans le monde entier. À ce jour, cette entreprise n'a pas de concurrent sur le marché.
Un appareil gigantesque à la recherche de minuscules particules
Mais pourquoi ce gigantesque effort de développement ? Le détecteur à pixels développé par les scientifiques du PSI est situé au CERN, au centre du détecteur CMS (Compact Muon Solenoid) d'une longueur de 22 mètres. Il pèse 12 500 tonnes et il est l'un des plus grands instruments de mesure jamais construits par l'homme. Le CMS est l'une des quatre expériences menées à l'accélérateur géant LHC (Large Hadron Collider) du CERN, avec lesquelles les physiciens souhaitent s'approcher de la solution des grandes énigmes de la matière.
Les scientifiques espèrent ainsi que les collisions des particules leur permettront de découvrir un jour le légendaire boson de Higgs, la dernière pièce maîtresse manquante du modèle standard de la physique des particules. Si on le trouve, on pourra expliquer le mécanisme qui confère une masse aux particules élémentaires.
Par ailleurs, les physiciens des particules souhaitent découvrir si les particules supersymétriques (SUSY) existent. Grâce à elles, on pourrait expliquer la matière noire dans l'espace qui reste encore obscure pour les physiciens. D'après une théorie qui est jusqu'à présent spéculative, elle pourrait être composée de particules de ce type. Mais à ce jour, personne n'en a vu. Si elles existaient, leur désintégration donnerait naissance à de nombreuses particules appelées mésons B. On les reconnaît facilement par le fait qu'ils volent à quelques millimètres de leur site de formation avant de se décomposer en particules élémentaires plus légères. Si l'on réussissait à trouver avec certitude ces sites de désintégration, on se rapprocherait considérablement de l'objectif qui est de filtrer ces quelques événements spectaculaires à partir des milliards de collisions de particules se produisant dans le CMS. Trouver les mésons B et les étudier est l'une des activités principales des physiciens des particules du PSI.
Sur les traces de nouvelles lois de la nature
Roland Horisberger explique la chose suivante:
Si on parvient à dépasser une valeur critique, mais encore inconnue à ce jour, grâce à l'énergie des particules, il est possible que nous trouvions de nouvelles lois de la nature. Même les lois physiques que nous connaissons aujourd'hui ne s'appliquent que jusqu'à un certain point. Les mesures figurant dans la publication ont été faites de 0,9 à 2,36 téra-électronvolts (TeV). Et c'est déjà un record du monde. L'objectif des physiciens est d'observer des collisions à 14 TeV. Il s'agirait de conditions comme celles présentes peu de temps après le big bang. Si le boson de Higgs ou les particules supersymétriques existent, c'est au plus tard à ce moment-là qu'ils devraient se montrer.
Le détecteur cylindrique à pixels (BPIX)Le BPIX n'enregistre pas uniquement la zone de mouvements des particules, mais il traite également des données. Dans ce but, un microcontrôleur est situé directement au-dessus de chacun des 60 millions de pixels. Une minuscule bille de brasure à l'indium de 18 millièmes de millimètres établit le contact entre le pixel et ce microcontrôleur. Ainsi, les pixels forment une caméra numérique sensible aux particules ou au rayonnement, dont le pilotage nécessite des programmes informatiques d'une haute complexité.
Le détecteur a non seulement été développé en majeure partie au PSI, mais il y a également été calibré. Les scientifiques peuvent activer chacun des 60 millions de pixels séparément, jusqu'à ce le détecteur livre des données optimales et mesure la trajectoire de particules élémentaires à une précision équivalant à la moitié du diamètre d'un cheveu. Il y a environ 40 millions de collisions de protons par seconde et toutes leurs données sont mémorisées temporairement sur les microcontrôleurs. Seuls quelque 100 000 événements potentiellement intéressants peuvent en définitive être extraits et traités. Parmi ces 100 000 événements par seconde, les physiciens espèrent un jour découvrir quelques-unes des particules dont l'existence n'était à ce jour que théorique.
L'Institut Paul Scherrer
L'Institut Paul Scherrer développe, construit et exploite de grandes installations de recherche complexes et les met à disposition de la communauté nationale et internationale. Les principales recherches de l'Institut sont centrées dans le domaine des corps solides et de la science des matériaux, de la physique des particules, de la biologie et de la médecine, de l'énergie et de l'environnement. Avec 1300 collaborateurs et un budget annuel d'environ 260 millions CHF, le PSI est le plus grand centre de recherche de Suisse.