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A la recherche d’une nouvelle physique
L’accélérateur de protons à haute intensité HIPA permet à l’Institut Paul Scherrer PSI de produire des particules élémentaires pour élucider une question fondamentale: comment notre univers est-il structuré? Les chercheurs utilisent des pions, des muons et des neutrons pour mener des expériences qui doivent leur permettre de découvrir comment élargir le modèle standard de la physique des particules, car ce dernier est bien établi mais incomplet. L’installation du PSI est la plus performante au monde pour produire ces particules à basse énergie.
Il faut souvent de grandes installations pour étudier ce que l’univers abrite de plus petit. Peu de sites le démontrent aussi clairement que certaines halles largement dimensionnées et situées sur la partie Ouest du PSI. Entre leurs murs, des chercheurs s’efforcent de résoudre une grande énigme: qu’est-ce qui assure la cohésion interne de l’univers? Pour leurs travaux, ils s’appuient sur une succession de trois accélérateurs de particules, abrités chacun dans sa propre halle. Ces équipements permettent d’accélérer des protons – les composants chargés positivement des noyaux des atomes – à 80% de la vitesse de la lumière.
Le processus commence à l’accélérateur Cockcroft-Walton, une installation en forme de champignon et d’une hauteur d’environ 10 mètres, où les protons sont produits et pré-accélérés. De là, ils sont acheminés le long d’un faisceau jusqu’à l’Injecteur 2, un accélérateur circulaire ou cyclotron. Des champs radiofréquences situés dans des résonateurs logés entre de grands aimants permettent aux protons de poursuivre leur accélération, si bien que lorsqu’ils quittent l’installation, ils ont déjà atteint 38% de la vitesse de la lumière. Les protons subissent ensuite leur accélération finale dans un autre accélérateur circulaire: le grand accélérateur de protons, un cyclotron d’un diamètre de 15 mètres. Ses aimants, dont les champs agissent sur les protons, pèsent jusqu’à 240 tonnes. Depuis ce cyclotron, situé dans un coin d’une grande halle d’expérimentation à l’abri d’un blindage de plusieurs mètres d’épaisseur, le faisceau de protons est dirigé vers le milieu de la halle où il atteint la destination finale de son fulgurant périple: ce qu’on appelle le dispositif cible.
Les principaux composants du dispositif cible sont deux roues en graphite d’un diamètre d’environ 50 centimètres qui opèrent une rotation complète par seconde. Le faisceau de protons commence par percuter la cible M, dont la roue en graphite présente une épaisseur de 2 millimètres seulement, d’où le «M» pour «mince». Puis les protons poursuivent leur course jusqu’à la cible E («E» pour «épaisse»), d’une épaisseur de 40 millimètres. Lorsque les protons rapides percutent les noyaux des atomes de graphite, cela génère des pions. Parmi celles composées de deux quarks seulement, les pions sont les particules les plus légères. Les protons et les neutrons qui se trouvent dans le noyau atomique sont composés eux de trois quarks. Les pions font partie de la famille des mésons, un groupe de particules dont l’existence a été prédite pour la première fois dans les années 1930 et démontrée de manière expérimentale en 1947. Le plus souvent, les pions se désintègrent en muons au bout de quelques fractions de seconde. Ces particules sont semblables aux électrons, mais elles sont 200 fois plus lourdes.
Physique des particules et sciences des matériaux
La cible épaisse E produit plus de muons que la cible mince M. Mais cette dernière fournit en revanche un faisceau de protons plus focalisé. Depuis les cibles, les pions et les muons sont dirigés à l’aide d’aimants vers différentes stations de mesure. Au PSI, les pions et les muons sont produits à basses énergies. Cela signifie que les particules sont lentes et peuvent être stoppées dans les appareillages pour des expériences. Dans trois zones de mesure, les chercheurs conduisent des expériences relevant de la physique des particules et dont l’objectif est d’élucider certaines questions fondamentales concernant l’univers et sa structure. Cinq autres stations expérimentales sont à disposition pour des recherches dans le domaine de la physique des solides. Les connaissances que les muons permettent d’obtenir ici sont ensuite intégrées dans des applications pratiques. Ces stations offrent par exemple la possibilité de déterminer les champs magnétiques au cœur des matériaux de manière très locale et d’améliorer certains supports de stockage informatiques. «Nos installations sont très utilisées, car nous avons le faisceau de protons est le plus intense au monde et donc la production de muons la plus importante», explique Daniela Kiselev, responsable de l’exploitation de l’accélérateur et du dispositif cible. Nulle part ailleurs, il n’y a autant de pions et de muons lents qu’au PSI, à Villigen.
«A l’origine, le cyclotron a été construit pour servir de fabrique de pions», rappelle Klaus Kirch, chef du Laboratoire de physique des particules au PSI et professeur à l’ETH Zurich. « Mais aujourd’hui, les chercheurs mènent beaucoup plus d’expériences avec des muons qu’avec des pions.» Les expériences avec des pions, de même que les expériences avec des muons, permettent de tester précisément la théorie standard de la physique des particules et d’obtenir de nouvelles connaissances allant au-delà de ce modèle standard. Car ce dernier a clairement des faiblesses.
La théorie standard explique de quoi est constitué le monde visible et ce qui assure sa cohésion interne. Autrement dit, elle décrit toutes les particules élémentaires connues ainsi que les forces qui agissent entre elles. Mais certaines questions fondamentales restent ouvertes: pourquoi la matière existe-t-elle et nous avec? De quoi d’autre l’univers est-il encore constitué? D’après le modèle standard de la cosmologie, la matière et l’antimatière sont apparues à part égale au moment du Big Bang qui a donné naissance à notre univers. «Or, aujourd’hui, nous ne voyons plus rien de cette antimatière, relève Klaus Kirch. Elle doit avoir disparu au terme de certains processus, alors qu’une partie de la matière a survécu.»
La question de savoir comment cela a pu se produire est l’une des grandes énigmes de la physique. Tout comme la nature de ce qu’on appelle la matière noire. D’après certaines observations astronomiques, celle-ci représente une part importante de la masse de l’univers, mais elle n’est pas composée des particules élémentaires que nous connaissons. La théorie conventionnelle ne permet pas d’expliquer ces constats relatifs à notre cosmos. «Nous ignorons encore de quelle manière nous devons modifier la théorie standard pour expliquer ces observations, poursuit Klaus Kirch. Mais nous disposons de toute une série d’expériences dans le cadre desquelles nous cherchons des choses qui ne sont pas prévues par le modèle standard. Ces expériences sont susceptibles de nous fournir des indices sur ce qui pourrait constituer la bonne extension de la théorie standard.»
Un résultat nul, ce n’est pas rien
Ainsi, des chercheurs au PSI traquent certaines désintégrations de muons qui ne sauraient exister selon le modèle standard. A l’instar des pions, les muons sont instables. Au terme de sa durée de vie (environ 2 millionièmes de seconde), un muon chargé positivement se désintègre en trois particules: un électron chargé positivement (c’est-à-dire un positron) et deux neutrinos (des particules neutres avec une masse très faible). Ce qui n’a encore jamais été observé, en revanche, c’est la désintégration du muon en deux particules: un positron et une particule lumineuse (photon ou photon gamma). Dans le cadre de l’expérience MEG, au PSI, un groupe international a enregistré pendant des années des centaines de milliards de désintégrations du muon sans découvrir un seul événement de ce genre. «Nous n’avons pas mesuré qu’il n’y avait ‘rien’, mais obtenu un résultat nul, ce qui est tout à fait différent», souligne Stefan Ritt, chef du groupe Physique muonique au PSI.
Le résultat nul indique à quel point il est probable ou improbable que cette désintégration existe et permet déjà de rejeter certaines théories comme extensions candidates du modèle standard. Le groupe international au PSI travaille à présent à la mise en place d’une nouvelle expérience dix fois plus sensible. MEG II devrait démarrer en 2022. En même temps, une autre collaboration internationale est en train de construire une deuxième expérience baptisée Mu3e. Celle-ci devrait montrer si le muon peut se désintégrer en trois électrons, un événement qui, lui non plus, n’a encore jamais été observé. «Les expériences se complètent, c’est pour cela que nous avons besoin des deux», explique Klaus Kirch. Stefan Ritt renchérit: «Si nous découvrons ces désintégrations, nous serons véritablement face à une nouvelle physique: à une nouvelle force de la nature ou à une nouvelle particule élémentaire lourde qui en serait en cause.» Et peut-être avec une explication de la matière noire.
A Genève, au CERN, des chercheurs traquent aussi les indices d’une théorie allant au-delà du modèle standard. Des protons sont accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière dans le gigantesque anneau du LHC où ils entrent en collision les uns avec les autres à très haute énergie. Le groupe Physique des particules à haute énergie du PSI apporte des contributions déterminantes à l’expérience CMS au LHC. A Villigen, les chercheurs mènent des expériences dans un domaine de basse énergie. «Nos expériences sont plus petites et meilleures marché de deux ordres de grandeur, mais uniques en termes de sensibilité et de pertinence», résume Stefan Ritt.
Développer de nouveaux détecteurs
Les détecteurs pour les nouvelles expériences MEG II et Mu3e sont actuellement en développement au PSI. La position et le moment des désintégrations des particules doivent être mesurés de plus en plus précisément, tout comme l’énergie de ces dernières. «Nous sommes aux avant-postes de la technologie des détecteurs et nous détenons plusieurs records du monde», rappelle Stefan Ritt, qui participe aux deux expériences. Le chercheur est particulièrement fier d’un développement électronique: une puce semi-conductrice qui mesure les signaux de désintégration des particules avec une précision de l’ordre de la picoseconde (millionième d’un millionième de seconde). Entre-temps, cette technologie est utilisée à des fin de formation et pour améliorer certains dispositifs médicaux de détection des tumeurs. Le PSI a déjà expédié dans le monde 500 exemplaires de cet appareil portable environ dix fois meilleur marché que les appareils de mesure utilisés jusque-là.
Dans le domaine de la physique des particules, les chercheurs au PSI ne misent pas uniquement sur les muons, mais aussi sur les neutrons. Ces composants sans charge des noyaux atomiques sont aussi fabriqués à l’aide de l’accélérateur. Le faisceau de protons les arrache à une cible de plomb. Puis ils subissent un violent freinage jusqu’à ce qu’ils soient ultra-froids. Dans le domaine des neutrons ultra-froids (UCN), la source UCN du PSI est à la pointe au niveau mondial. Les neutrons ultra-froids sont très lents, ils peuvent être stockés et donc étudiés pendant quelques minutes. Klaus Kirch, physicien des particules, explique: «Vu de l’extérieur, un neutron n’a pas de charge électrique et est donc neutre. Mais il se pourrait qu’à l’intérieur, il présente une distribution asymétrique des charges.» Les spécialistes parlent de «moment dipolaire électrique» du neutron.
D’après le modèle standard, le neutron a un moment dipolaire électrique qui ne peut être mesuré avec les moyens actuels. Si ce dernier devait apparaître dans le cadre de l’expérience, il y aurait de bonnes chances que cela puisse expliquer pourquoi on trouve de la matière dans l’univers, mais pas l’antimatière des origines. Car c’est le même phénomène qui pourrait être en cause dans l’excédent de matière et dans la distribution asymétrique des charges dans le neutron. Les physiciens parlent de «brisure de symétrie». Pendant plus de deux ans, un groupe de recherche international a mesuré les propriétés du neutron avec une précision inégalée à ce jour dans le cadre de l’expérience nEDM au PSI. Mais les chercheurs n’ont pas pu mettre en évidence un moment dipolaire électrique. Un autre résultat nul, comme lors des expériences sur le muon. Là aussi, certaines explications théoriquement possibles ont été écartées et, là aussi, les chercheurs sont en train d’élaborer une expérience de relève baptisée n2EDM pour vérifier s’il est quand même possible de mettre en évidence un moment dipolaire électrique dans le cas des neutrons.
Etudier l’intérieur du proton
Même si les résultats nuls génèrent d’intéressants éléments de connaissance, Klaus Kirch avoue: «J’aime aussi mener des expériences lors desquelles je mesure quelque chose qui n’est pas nul.» Avec des collaborateurs du PSI et de l’ETH Zurich, il étudie donc la distribution de la charge électrique et du magnétisme dans le proton. Pour ce faire, les chercheurs utilisent des muons chargés négativement qui forment des atomes bien particuliers au lieu de former des électrons. Un atome d’hydrogène ordinaire est composé d’un proton dans le noyau atomique et d’un électron dans la couche électronique. Si l’électron est remplacé par un muon 200 fois plus lourd, ce dernier gravite beaucoup plus près du proton et passe même du temps à l’intérieur de ce dernier. Les mesures menées sur le muon permettent donc de découvrir de nouveaux aspects au cœur du proton.
Dans l’ensemble, quelque 400 chercheurs ont travaillé au PSI dans le cadre de neuf expériences différentes relevant de la physique des particules. Etant donné ses vénérables 45 ans d’existence, la performance de l’installation a de quoi étonner. Aujourd’hui, elle fournit en effet 25 fois plus d’intensité que ce pour quoi elle avait été planifiée au départ. «Les entretiens réguliers et nos investissements dans les innovations et les améliorations nous ont permis de faire évoluer l’installation et de la maintenir en bon état pour qu’elle continue d’être à la hauteur pour l’avenir», relève Daniela Kiselev. Tout récemment, une nouvelle cible en graphite, qui permet d’augmenter de 40% à 50% le taux de muons lents, a été testée. Du côté de l’accélérateur, deux résonateurs sont en train d’être remplacés afin de pouvoir accélérer les protons de manière encore plus efficace avec encore moins de pertes. L’infrastructure fait elle aussi l’objet d’investissements constants. Ces dernières années, les pièces des tubes d’alimentation en eau de refroidissement ont toutes été remplacées l’une après l’autre, et les alimentations des nombreux aimants qui maintiennent les protons sur leur trajectoire ont été renouvelées. Ces équipements permettront aux chercheurs du PSI de continuer à gagner des éléments de connaissance utiles et passionnants sur les composants fondamentaux de notre univers, à l’avenir aussi.
Texte: Barbara Vonarburg