Quantum Diaries

Christer Fuglesang, un physicien ayant travaillé au CERN avant de devenir astronaute pour l’Agence Spatiale Européenne (ESA), a ramené hier au CERN un neutralino qu’il avait emporté avec lui lors de sa mission vers la Station Spatiale Internationale (ISS).

Christer Fuglesang (à droite), astronaute de l’agence aérospatiale européenne (ESA) remettant à Sergio Bertolucci (à gauche), directeur de la recherche du CERN le neutralino (en bas à droite) aux couleurs du CERN et de l’ESA qu’il avait emmené à bord de la navette spatiale en 2009.

Il s’agit en fait d’une petite peluche créée par la gardienne et fondatrice du zoo des particules. Le neutralino représente une particule fondamentale mais hypothétique proposée dans le cadre d’une nouvelle théorie dite de supersymmétrie. Cette théorie échaffaudée sur les bases du Modèle Standard, le modèle actuel décrivant les la physique des particules et qui unifierait les particules de matière et les particules associées aux forces fondamentales.

Le plus intéressant serait que ce neutralino s’avère être du même type de matière que la matière noire.

La matière noire représente 23% du contenu total de l’univers. C’est une forme de matière d’un genre complètement inconnu, alors que la matière ordinaire, celle dont nous sommes faits de même que toutes les étoiles et galaxies, ne compte que pour 4% du contenu total. Bien que les physiciennes et physiciens ne sachent toujours pas de quoi 96% de l’univers est fait, nous détectons la présence de cette matière mystérieuse à travers ses effets gravitationnels.

L’univers comprend 23% de matière noire et 73% d’énergie noire, deux formes de matière et d’énergie qui n’ont rien à voir avec les 4% de matière ordinaire qui compose tout ce que l’on trouve sur terre, dans les étoiles et les galaxies.

La matière noire n’émet pas de lumière (d’où son nom) mais engendre tout de même un champ gravitationnel, ce qui la rend détectable. Par contre, elle ne semble interagir que minimalement avec la matière ordinaire, ce qui la rend bien difficile à détecter ou étudier sa nature.

On espère que le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) sera capable d’en produire et qu’on pourra enfin en étudier les propriétés. Les neutralinos ne sont qu’une des nouvelles particules fondamentales proposées pour résoudre le mystère de la matière noire mais un des modèles les plus plausibles.

Alors quand Christer Fuglesang a appris qu’il pouvait prendre à bord de la Station Spatiale Internationale quelques articles de son choix, il a voulu emmener quelque chose du CERN. « Le neutralino offre un lien entre la physique des particule et l’espace » avait expliqué Christer, en faisant l’article idéal.

La petite peluche a maintenant retrouvé ses compagnes du zoo des particules. Laquelle d’entre elles s’avèrera être celle qui révèlera la nature de cette immense quantité de matière encore inconnue? Espérons que le LHC éclairera un peu ce côté sombre de l’univers.

(Interview avec Christer Fuglesang) (en anglais seulement)

Pauline Gagnon

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Si vous pouvez lire ce texte, c’est grâce au World Wide Web, un produit de la recherche fondamentale effectuée au CERN. La toile fut inventé au CERN afin d’offrir un moyen de communication aux physiciens et physiciennes des hautes énergies disséminés sur différents continents. Son impact sur la société ne fait aucun doute, changeant pour toujours notre façon de communiquer et de vivre.

Mais la toile serait encore inconnu du grand public sans transfert de connaissances, une approche visant à trouver des applications aux développements issus de la recherche de base. Le groupe de Transfert de Connaissances essaie de multiplier de tels exemples et son travail fait partie intégrante de la mission du CERN.

Le but principal du laboratoire est de développer la connaissance sur la nature de la matière et de l’univers qui nous entourent. Mais ce faisant, nous devons constamment repousser les limites de la technologie au-delà de ce qui existe couramment, en développant sans cesses des outils plus performants. De nos jours, cela signifie aussi le faire en respectant l’environnement et à moindre coût.

Chaque fois que de nouveaux détecteurs ou accélérateurs sont construits, ils doivent impérativement surpasser les précédents. On doit soit faire nous mêmes en faisant appel aux centaines d’universités et instituts rattachés au CERN, soit demander à des partenaires commerciaux  de relever le défi: électronique plus rapide, matériaux plus légers, refroidissement plus performant ou algorithmes plus malins.

En s’approvisionnant en équipement non-existant, le CERN force le développement technologique et encourage l’innovation parmi les compagnies des pays membres. Ou encore, des scientifiques ayant développé une idée novatrice y trouvent des applications en dehors du domaine de la physique des particules. Ces inventeurs et inventrices peuvent alors bénéficier du soutien du groupe de Transfert des Connaissances du CERN. L’équipe les conseille et les aide sur tous les aspects de gérance de la propriété intellectuelle, et offre son expertise pour les activités multidisciplinaires pour les applications en sciences de la vie.

Le groupe de Transfert des Connaissances doit d’abord établir si le concept est nouveau puis cherche des partenaires externes potentiels pour développer et mettre en marché cette idée. Bien sûr, en collaborant avec le milieu des affaires, le CERN doit en respecter les règles. Une garantie d’exclusivité et un retour économique sont souvent les aspects qui attirent les partenaires commerciaux. Le CERN leur accorde alors un permis d’exploitation de la technologie.

Au contraire, pour le World Wide Web,  aucun brevet n’avait été demandé afin d’assurer une dissémination gratuite et la plus large possible. Aujourd’hui, le CERN prend parfois des brevets pour stimuler l’intérêt des partenaires commerciaux. Pour certaines technologies,  c’est le seul moyen d’attirer l’industrie et mettre ces technologies sur le marché. Un tiers des revenus ainsi générés financent le  Fond de Transfert des Connaissances pour développer de nouveaux projets, et le reste retourne vers les départements techniques et scientifiques du CERN.

Parfois, un partenaire est un autre institut de recherche, comme c’est le cas avec CIEMAT, l’agence espagnole de financement des Sciences et de la Technologie. En partenariat avec le CERN,  on espère fabriquer des accélérateurs de particules appelés cyclotrons pour la production de micros doses de radioisotopes nécessaires pour l’imagerie médicale.

Ces radioisotopes ont la vie courte et doivent donc être produits tout près du lieu de l’examen médical. On espère que ce cyclotron sera assez petit pour être installé dans n’importe lequel hôpital.

Une partie importante des activités du groupe de Transfert des Connaissances du CERN vise la promotion des activités multidisciplinaires en sciences de la vie.  Le CERN est impliqué dans différents projets reliés à l’imagerie médicale, thérapie hadronique, radiobiologie, e-santé ainsi que la formation de chercheur-e-s dans ces domaines multidisciplinaires.

Les applications en imagerie médicale sont les retombées les plus fréquentes. Pas étonnant puisque nos détecteurs ne sont ni plus ni moins que des caméras ultra perfectionnées nous permettant de capter les images furtives de collisions de particules invisibles à l’œil nu. Les techniques utilisées en physique ont donc largement été adaptées pour améliorer la précision des diagnostics médicaux.

Le CERN a aussi soutenu le développement de panneaux solaires très performants pour la production d’eau chaude et le chauffage. L’ensemble consiste de tuyaux placés devant des miroirs cylindriques qui réfléchissent et concentrent le rayonnement solaire, y compris la lumière diffuse. Ces tuyaux sont contenus dans une enceinte sous vide, ce qui élimine une grande partie des déperditions de chaleur car le vide agit comme un isolant (comme une bouteille thermos). Dernière touche spéciale du CERN: l’enceinte à vide est équipée d’un « getter pump », un appareil utilisé pour capter les molécules de gaz résiduelles et développé à l’origine pour améliorer la qualité du vide dans les accélérateurs du CERN. L’aéroport de Genève est en train d’installer 300 de ces panneaux pour assurer le chauffage du terminal principal.

L’un des meilleurs moyens pour la diffusion des idées est de passer par les instituteurs et institutrices. Chaque année, le CERN accueille plus de mille enseignant-e-s qui viennent rencontrer des scientifiques, visiter les expériences et différents laboratoires, et qui pourront à leur tour partager leur enthousiasme pour la recherche fondamentale avec des centaines d’étudiant-e-s dans les années qui suivront.

Le Transfert des Connaissances est en plein essor au CERN et continuera à promouvoir les initiatives visant à maximiser les retombées de la recherche fondamentale dans différents secteurs de la société et encourager l’innovation.

Pauline Gagnon

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Les baryons Ξ (Xi), comme tous les baryons, sont des particules constituées de trois quarks. Le premier baryon X  a été découvert dans les rayons cosmiques dans les années 50.  Plus récemment, les expériences du Fermilab ont découvert les particules X_b, qui contiennent un quark b ou beauté. Cette semaine, CMS a annoncé l’observation d’un nouvel état excité du baryon neutre, le Ξ_b^*0, le premier de la famille découvert à ce jour.

Les baryons Ξ_b^* contiennent un quark beauté (b), un quark étrange (s), et encore soit un quark up (u), ce qui donne un baryon Ξ_b^*0 neutre, soit un quark down (d), et on obtient un Ξ_b^* chargé. Les états fondamentaux, c’est-à-dire les baryons Ξ_b de plus faible masse, chargés ou neutres – ont déjà été observés précédemment. Toutefois, aucun des états excités prédits par le Modèle Standard n’avait encore été observé. L’état excité Ξ_b^*0 que l’on vient de découvrir à CMS est une première.

Les particules qui sont dans un état excité, y compris le Ξ_b^*0, se défont normalement rapidement  en une cascade de désintégrations, donnant plusieurs particules de faible masse, ce qui rend la reconstitution particulièrement difficile. L’observation de CMS a été faite dans un échantillon de données de collisions proton-proton fournies en 2011 par le LHC fonctionnant à une énergie dans le centre de masse de 7 TeV. Cet échantillon correspond à une luminosité intégrée de 5,3 fb^-1. La masse du nouvel état excité est, d’après les mesures, de 5945,0 ± 2,8 MeV, ce qui en fait également l’état de particule le plus lourd découvert à ce jour dans la famille des Ξ.

Les résultats de CMS présentent une signification statistique de plus de 5 écarts-type (5σ) au-dessus du bruit de fond attendu. Voilà donc un élément supplémentaire qui contribue à former une image cohérente des différents états que peut prendre la matière.

En décembre dernier, l’expérience ATLAS avait elle aussi annoncer l’observation d’une nouvelle particule, le χ_b(3P) fait d’un quark b et d’un antiquark b.

Pour en savoir plus, consulter le site de CMS (en anglais seulement)

Un signal clair venant de particules Ξ_b^*0 (en bleu)  au-dessus du bruit de fond (en rouge)

ÉTATS EXCITÉS DE LA MATIÈRE

Deux scientifiques pakistanais sont arrivés au CERN en février, au plus fort de la vague de froid. Pendant toute l’année 2012, ils vont travailler en collaboration avec les spécialistes des aimants du CERN, en s’initiant à la technologie et en prenant part aux projets en cours.

Sumera Yamin, physicienne, et Khalid Mansoor Hassan, ingénieur électricien, sont deux scientifiques du Centre national de physique d’Islamabad venus travailler au CERN dans le cadre d’un accord avec le Pakistan.

«Ils se sont immédiatement mis à l’œuvre en nous aidant à concevoir et à assembler de nouveaux aimants pour l’expérience ALPHA, explique Davide Tommasini, chef de la section responsable des aimants résistifs. Ils se sont tout de suite adaptés, comme je l’espérais. C’est incroyable de constater que tous les scientifiques ont la même approche.»

Les deux nouveaux venus participeront également à certaines étapes de la conception d’aimants et aux spécifications techniques du projet SESAME (Centre international de rayonnement synchrotron pour les sciences expérimentales et appliquées au Moyen-Orient), le premier centre de recherche d’envergure internationale de la région.

Sumera Yamin (à gauche) et Khalid Mansoor Hassan (à droite) avec un aimant quadripôle dans une des zones expérimentale du CERN.

SESAME a été fondé sous les auspices de l’UNESCO en prenant le CERN pour modèle. Il compte actuellement parmi ses membres le Bahreïn, Chypre, l’Égypte, l’Iran, Israël, la Jordanie, le Pakistan, l’autorité palestinienne et la Turquie. Le but est de d’établir des ponts au niveau culturel et scientifique entre des sociétés diverses et contribuer à une culture de paix à travers une coopération internationale en science. Le projet vise aussi à prévenir et même renverser la fuite actuelle des cerveaux en établissant un centre de recherches de pointe en sciences des matériaux, physique, chimie et sciences de la vie.

Le CERN soutient cette initiative en partageant son expertise, notamment en ce qui concerne le système d’aimants. En 2010, les directeurs du CERN et de SESAME ont signé un protocole de coopération. Les spécialistes du CERN pourront également former le personnel de SESAME si ce dernier en fait la demande.

Le Pakistan est membre de SESAME et participe également à la collaboration CMS au CERN. Il souhaite aider le CERN à promouvoir le projet SESAME et, dans le même temps, acquérir une expertise dans la science, la technologie et la conception des accélérateurs pour développer ses capacités nationales.

La construction du bâtiment principal de SESAME, à Allan, en Jordanie, a été achevée en 2008. D’ici à 2015, ce centre de recherche commencera à accueillir des utilisateurs et utilisatrices originaires de l’ensemble de ses États membres et leur permettra de venir pour de courtes périodes afin de réaliser des expériences particulières, avant de retourner dans leur pays pour procéder à l’analyse des données. Le but est de créer un environnement scientifique stimulant qui encouragera les meilleur-e-s scientifiques et technologues de la région à y rester, voire même y revenir.

Les deux scientifiques s’attèlent donc à la tâche d’apprendre tout le processus de la construction des aimants pour l’anneau principal de SESAME. Ils travaillent en ce moment sur la conception et les spécifications devront être finalisées pour la fin du printemps. Le but est de pouvoir construire et/ou assembler la plupart des composantes au Moyen Orient. En même temps, le Pakistan mise sur des scientifiques comme Sumera et Khalid pour acquérir une expertise en technologie des accélérateurs et développer ses propres applications dans le domaine médical.

«Nous bénéficions de l’aide et de l’attention de l’ensemble du groupe, assure Khalid. Dès que nous soulevons une question, quelqu’un propose de prendre un café pour en discuter!»

Mais ces conversations autour d’un café ne sont pas la seule expérience qu’ils retiendront de leur séjour au CERN. «C’est un apprentissage différent, ajoute Sumera, plus participatif, plus ouvert.» Sumera et Khalid apprécient l’environnement multiculturel du CERN, et c’est avec plaisir qu’ils s’imprègnent au quotidien de nouvelles connaissances.

Pauline Gagnon

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Peut-être avez-vous déjà entendu parler du coup du nain voyageur, où un nain de jardin était retiré en douce d’un jardin privé et emmené en voyage. Ses anciens propriétaires recevaient par la poste une photo de leur nain de jardin posant devant un monument célèbre.

De telles actions, courantes du temps du Front de libération des nains de jardin, ont inspiré non seulement le réalisateur d’Amélie Poulain, mais aussi James Nester de la compagnie Kern and Sohn en Allemagne, un fabriquant de balances de précision. Lui et ses collègues Chuck Jenks et Nick Hearn ont donc lancé l’expérience du nain ou Gnome Experiment et forment maintenant l’équipe du nain au sein de leur compagnie.

La maison mère de cette firme étant située dans la région d’origine de la première fabrique de nains de jardins, ils ont eu l’idée d’en envoyer un se balader autour du globe avec une de leurs balances, pour démontrer que l’attraction gravitationnelle diffère d’un point à l’autre de la planète, un effet dont les fabricants d’instruments de précision doivent tenir compte, puisque la Terre n’est pas parfaitement sphérique.

Ce qui avait débuté comme une simple campagne publicitaire pour la compagnie est vite devenu un outil d’éducation quand une scientifique a invité le nain de jardin à venir en visite au pôle Sud, un évènement qui a attiré l’attention des médias.

“Après la visite du Nain Kern au pôle Sud, nous recevions trois invitations à la minute sur notre site web venant des quatre coins de la planète”, explique James Naster. Etant donné l’aspect scientifique de leur projet, l’équipe du nain a eu l’idée d’envoyer leur petit émissaire faire le tour des hauts lieux de la physique.

Le Nain Kern (c’est son nom) s’est d’abord rendu à SNOLAB à Sudbury au Canada, un laboratoire de la physique des neutrinos situé à 2 km sous terre au fond d’une mine. Le nain de jardin a pu démontrer qu’il pesait moins au fond de la mine qu’à la surface à cause de l’attraction des deux kilomètres de roche au-dessus de sa tête, qui contrebalançaient légèrement l’attraction du reste de la terre. Une différence d’à peine 0,1 g  sur les 307,73 g mesurés à la surface. Bien sûr, on parle ici de kilogramme-force, puisque personne ne mesure un poids en Newton, l’unité réelle de poids, alors que le kilogramme lui est l’unité de la masse.

SNOLAB est le successeur de Sudbury Neutrino Observatory (SNO), là où les oscillations de neutrinos furent mesurées pour la première fois. Il s’agit du phénomène par lequel les neutrinos d’un type donné se transforment en neutrinos d’un autre type. Car il y a trois types de neutrinos : les neutrinos électroniques, muoniques et taus. Cette observation avait permis d’élucider une vieille énigme : pourquoi observait-on sur Terre à peine le tiers des neutrinos produits à la surface du soleil? Simplement parce qu’une partie des neutrinos électroniques émis par le soleil muait en neutrinos muoniques durant leur trajet vers la Terre. Cette observation implique d’ailleurs que les neutrinos ont une masse.

Et la semaine dernière, et oui, le Nain Kern a fait escale au CERN, juste après l’arrivée des premiers faisceaux stables de 2012. Une équipe de télévision avait même fait le déplacement pour l’occasion.

Mick Storr (à droite), en charge du programme des éducatrices et éducateurs au CERN, en compagnie du Nain Kern dans la salle de contrôle du LHC, le Grand Collisionneur de Hadrons

Sur le site du Gnome Experiment, vous pourrez visualiser combien le poids du nain de jardin varie tout autour de la planète. Et n’essayez pas d’expliquer les variations mesurées en zones tropicales en terme d’absorption de l’humidité ambiante. Le Nain Kern est fait d’une résine haute technologie non poreuse et résistante à l’écaillage, et il arrive accompagné de gants et d’un plumeau pour éviter saletés et poussières.

L’idée évolue de plus en plus vers un projet d’éducation scientifique. Les écoles peuvent demander une visite du nain de jardin et l’équipe développe du matériel didactique à l’attention des professeur-e-s. Si vous voulez l’inviter à passer dans votre école, institut ou ailleurs, il suffit de lui envoyer un courriel.

Le Nain Kern est maintenant en route vers l’Angleterre, où il a prévu une ballade sous le pommier légendaire où Sir Isaac Newton aurait été inspiré. Espérons qu’il fera le poids.

Pauline Gagnon

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Ce matin à 00:37, le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN a mis en collision deux faisceaux stables de protons d’une énergie de 4 TeV. Une première pour l’année après la fermeture annuelle et un record en énergie – les faisceaux étaient à 3.5 TeV l’an dernier. Ceci vient couronner des semaines de préparation par les équipes du LHC. Du côté des expériences, on a aussi travaillé fort pour compléter toutes les interventions sur les détecteurs et tester de nouveaux logiciels. Tout le monde attendait donc cet important événement avec beaucoup d’anticipation.

Ma propre préparation en vue de mon premier quart de travail dans la salle de contrôle d’ATLAS cette année me rappelait les premiers jours d’école quand j’étais petite. Mes vêtements étaient déjà sortis, mon petit déjeuner préparé et assez de provisions d’emballées pour soutenir un siège. Il n’était pas question d’arriver en retard pour ce quart de travail à 7:00 hier matin alors qu’on espérait  y observer les premières véritables collisions de l’année.

L’ambiance autour de la salle de contrôle d’ATLAS était particulière cette semaine avec tout et tout le monde fin prêt et en attente de cet événement. Alors, au moindre souci, une horde d’expertes et experts accouraient, déterminés à régler tous les problèmes avant que l’équipe du LHC annonce la fin des tests et mesures préliminaires, et qu’enfin, le prochain tour serait le bon.

Toute l’équipe du matin, une dizaine de personnes en tout, espérait être aux commandes pour cette importante étape.

Mais dès notre arrivée à 7:00 hier matin, le LHC fut retardé par un petit souci, bien que vite réglé. Puis il restait une dernière mesure à compléter, mais les faisceaux furent perdus avant d’y parvenir. Il a fallu repartir à zéro. Pendant des heures, nous sommes donc restés à espérer voir ces premières collisions.

Une partie de l’équipe de jour dans la salle de contrôle d’ATLAS le 4 avril attendant les premiers  faisceaux stables, le véritable début de l’accumulation de données pour 2012. (Photo: Claudia Marcelloni de Oliveira)

Il y avait peu à faire sauf attendre. Notre quart de travail fut ponctué des habituelles successions de périodes tranquilles suivies par des moments d’activité fébrile quand un système se plante, une alarme apparaît ou la réunion quotidienne de coordination se termine.

Ces meetings se tiennent sept jours par semaine juste au-dessus de la salle de contrôle. Tous les expertes et coordonateurs des différents systèmes, la gérante d’opération (la personne sur appel 24 heures sur 24 pendant une semaine qui assiste le ou la chef d’équipe de la salle de contrôle) et les coordonnateurs d’opération, en tout une quarantaine de personnes y assistent et discutent des problèmes courants, du plan d’action de la journée en accord avec les projets du LHC, les interventions nécessaires sur le détecteur ou les tests spéciaux à effectuer.

Donc tous les jours après ce meeting, des dizaines d’experts passent donner leurs instructions à l’équipe de garde ou procèdent à une vérification ou un test, transformant la salle de contrôle en une ruche bourdonnante. Il existe toute une sous-communauté dans la collaboration de gens qui gravitent en permanence autour de cette salle de contrôle et en assurent un fonctionnement sans failles. Les autres viennent à tour de rôle assumer leur part des quarts de travail, jour et nuit, weekends et congés compris.

Lorsque les experts envahissent la salle de contrôle, notre rôle devient secondaire. La plupart sont des jeunes, étudiants et postdocs, dont une bonne moitié de femmes, reflétant bien le rôle crucial jouer par les jeunes dans la collaboration. Plusieurs avaient déjà les traits tirés, suite aux nombreux appels reçus jour et nuit pour tout régler avant la reprise.

Sortir un détecteur comme ATLAS de son hibernation n’est pas une mince affaire et il y a toujours quelque chose qui cloche. Pas étonnant avec ses 7000 tonnes de technologie délicate et complexe, 4000 km de câbles divers pour la haute et basse tension et autant de tuyaux de toutes sortes qui acheminent des fluides variés vers les nombreux sous-systèmes et en ramènent les données.

Tout cela explique en partie pourquoi on retrouve maintenant près de 4000 chercheurs et chercheuses sur chacune des expériences CMS et ATLAS, les deux grandes expériences du LHC. ALICE compte plus de mille personnes et LHCb environ 1500.

L’autre raison? L’attrait irrésistible des possibilités de découvertes offertes par le LHC.. Bien que personne ne sache encore ce que l’on y découvrira, 2012 s’annonce prometteur non seulement pour clore enfin le chapitre de la quête du boson de Higgs mais aussi pour tester de nombreuses nouvelles théories.

Pauline Gagnon

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Les scientifiques du CERN ont annoncé aujourd’hui la découverte d’une nouvelle particule. Celle-ci aurait été aperçu sur l’île de Tristan da Cunha, une île volcanique située environ à mi-chemin entre le Brésil et l’Afrique du Sud dans l’Atlantique sud.

Un panneau sur Tristan da Cunha proclame que c’est l’île la plus isolée au monde. L’île est située environ à mi-chemin entre le Brésil et l’Afrique du Sud.

“On cherche de nouvelles particules partout depuis des années. Qui aurait cru qu’on en trouverait une à l’endroit le plus isolé au monde?” s’est exclamé un incrédule James Gillies, porte-parole du CERN, le Centre Européen de Recherche Nucléaire.

Cette nouvelle particule appelée poisson avait en fait été proposée par certains théoricien-ne-s pour expliquer comment les particules élémentaires peuvent attirer autant d’attention.

Le CERN a été alerté par l’équipage d’un petit voilier canadien de passage près de Tristan le mois dernier. Les chercheur-e-s des expériences CMS et ATLAS étudient en ce moment la possibilité de transporter leurs détecteurs sur l’île de Tristan da Cunha pour confirmer cette découverte.

Pauline Gagnon

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Au CERN, nous nous apprêtons non seulement à éclaircir la question fondamentale de l’apparition de la masse après le Big bang, mais nous nous acheminons aussi vers la résolution d’un autre problème essentiel lié à la masse. Le kilogramme est la seule unité fondamentale du système international d’unités (SI) définie officiellement à l’aide d’un prototype matériel de fabrication humaine (un artéfact), plutôt qu’au moyen de grandeurs invariantes de la nature. Si vous estimez que la question vous concerne moins que le prestigieux boson de Higgs, détrompez-vous ! Que diriez-vous si votre balance vous indiquait une valeur différente lorsque vous vous pèserez demain ?

Le prototype international du kilogramme est un cylindre en alliage platine-iridium de 39 mm de hauteur et de 39 mm de diamètre. Il a été usiné en 1878 et se trouve au Bureau international des poids et mesures (BIPM), à Sèvres, près de Paris. À ce jour, alors que toutes les autres unités du système SI ont été redéfinies pour être rattachées à des constantes fondamentales ou à des propriétés atomiques, le kilogramme reste défini par ce bloc de matière.

Un bloc de matière qui doit être nettoyé par des personnes – ou du moins une personne – au risque que des atomes, et donc des fractions de masse, puissent se perdre dans le processus. « Au fil des ans, plusieurs copies ont été produites et déposées dans divers bureaux de métrologie nationaux, explique Ali Eichenberger, physicien à l’Office fédéral suisse de métrologie (METAS). Bien qu’il ne soit pas encore possible de définir la masse du kilogramme de manière absolue, la technologie moderne permet de comparer des masses avec une très haute précision, pouvant atteindre le microgramme. Un examen des divers prototypes nationaux a fait apparaître que leurs masses varient de manière sensible. » De plus, le manque de précision de la définition actuelle du kilogramme a une incidence sur d’autres unités, notamment l’ampère.

En un siècle, des variations de masse significatives ont été enregistrées entre les copies officielles du kilogramme. (Image : METAS).

Un projet de métrologie lancé par le METAS et auquel le CERN participe devrait permettre de régler le problème. L’idée est de construire une balance de watt ultra-précise – un instrument qui compare les puissances mécanique et électrique (voir l’encadré). Grâce à la balance de watt et à ses équations, il est possible de relier l’unité de masse au mètre, à la seconde et à la constante de Planck, bref, à toutes les unités et constantes fondamentales.

« Un élément essentiel de la balance de watt est le circuit magnétique, qui doit être extrêmement stable au cours de la mesure, explique Davide Tommasini, un spécialiste des aimants travaillant dans le groupe Aimants et supraconducteurs au sein du département Technologie du CERN, qui participe directement au projet de balance de watt du METAS. En utilisant un ‘shunt magnétique’ bien dimensionné avec une faible température de Curie, il est possible de réduire radicalement les effets de variation de température. Le circuit doit également fournir un champ magnétique très homogène dans l’ensemble du volume où intervient la mesure. » Le circuit magnétique sera assemblé au CERN. « L’aimant permanent et le cylindre de shuntage devraient bientôt arriver. Nous nous emploierons ensuite à tester les performances du circuit », ajoute Davide Tommasini.

La balance de watt construite par METAS pour effectuer les précédentes mesures de la constante de Planck. Une nouvelle balance est actuellement en développement. (Image : METAS).

« Les exigences associées aux aimants sont extrêmement strictes et nous sommes très heureux que le CERN ait accepté de participer au projet dans le cadre de ses activités de transfert de connaissances, souligne Henri Baumann, un physicien du METAS qui a lancé le projet avec Ali Eichenberger. Cette mesure permettra aussi d’améliorer sensiblement la détermination de la constante de Planck. Les théoriciens du CERN s’en féliciteront certainement ! »

« Ce projet témoigne de la portée qu’ont les compétences et les connaissances spécialisées nécessaires en physique des particules sur des programmes de recherche d’autres disciplines et sur la société dans son ensemble », explique Hartmut Hillemanns, du groupe KT, (Knowledge Transfer ou transfer du savoir) qui mène à bien le volet cernois du projet avec l’équipe scientifique du CERN et interagit avec les autres partenaires.

La nouvelle définition de l’unité de masse devrait être donnée d’ici quelques années. Peut-être aurons-nous alors compris comment la masse se crée au niveau le plus fondamental… Oui, cette fois, nous parlons bien du Higgs !

tiré du Bulletin du CERN

La première semaine de la plus grosse conférence de physique d’hiver, les Rencontres de Moriond de La Thuile en Italie, s’est terminée le 10 mars laissant tout le monde à la fois impressionné et perplexe devant tous les nouveaux résultats présentés.

La situation est la suivante: les théoriciennes et théoriciens savent que le modèle standard de la physique des particules, a ses limites et qu’il n’est probablement que la partie la plus accessible d’une théorie plus complexe encore inconnue. Un peu comme si on ne connaissait que l’arithmétique en mathématiques. Cela suffit pour la plupart des opérations quotidiennes, même si l’algèbre, la géométrie et le calcul intégral sont essentiels pour résoudre des problèmes plus complexes.

On s’attend donc à voir apparaitre des phénomènes liés à une « nouvelle physique » qui nous indiquerait laquelle parmi toutes les théories proposées est la bonne. Tout le monde espère que les expériences du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) révèleront bientôt un indice pour nous mettre sur la bonne voie.

La conférence visait donc en grande partie à faire le point sur l’impact de toutes les mesures récentes sur ces nouvelles théories, et en particulier sur la supersymmétrie (SUSY) et les dimensions supplémentaires. Et de nouveaux résultats, il y en avait, tant sur le boson de Higgs, les particules de SUSY et de matière noire, que sur les mesures de précision et en physique des neutrinos.

La première nouvelle excitante est venue des expériences LHCb, CMS et ATLAS du LHC, avec de nouveaux résultats sur combien de fois les mésons B_s se désintègrent en deux muons. Ce procédé est tellement rare d’après le modèle standard que toute contribution additionnelle venant d’une nouvelle physique serait vite détectée. LHCb obtient la meilleure limite, soit moins de 4.5 x 10^-9, à peine plus grand que la valeur prédite par le modèle standard de 3.5 x 10^-9. Ceci laisse peu de place pour la nouvelle physique. Heureusement, David Straub, un théoricien de la Scuola Normale Superiore et INFN de Pisa, a montré qu’une valeur inférieure à celle prédite permettrait tout autant de déceler les effets de la nouvelle physique. Cette possibilité est désormais envisageable, étant donné le degré de précision atteint par les expériences du LHC.

L’impact des nouvelles limites sur les désintégrations rares de B_s et B_d en deux muons sur les différents modèles de SUSY montre que l’espace des paramètres encore permis est de plus en plus restreint (petit rectangle en bas à gauche) comparé à tout le reste qui était encore possible l’an dernier.

En ce qui concerne le boson de Higgs, quatre expériences indépendantes observent maintenant de petits signaux qui pourraient venir du Higgs dans quatre canaux de désintégration différents. C’est un peu comme si on entendait la même rumeur de quatre personnes fiables qui l’ont elles-mêmes obtenues de quatre sources indépendantes. Tout cela ne constitue aucunement une preuve, mais il y a matière à réflexion. Les quatre observent toutes un petit excès autour de 125 GeV, quoiqu’aucun pris séparément ne soit convainquant. ATLAS et CMS recommenceront à accumuler de nouvelles données dès la semaine prochaine et on aura enfin le cœur net.

Bien que les quatre expériences – ATLAS, CMS, CDF et D0 – insistent qu’il soit trop tôt pour conclure, les théoriciens et théoriciennes y allaient allègrement. Nazila Mahmoudi, une théoricienne du CERN a montré l’impact qu’aurait la découverte d’un boson de Higgs ayant cette masse sur les différent modèles de supersymmétrie.

Les valeurs de « tan β » et  « m_A », deux importants paramètres des modèles de SUSY, encore permises sont montrées par les points noirs. Les valeurs en rouge sont disqualifiées par les mesures récentes en physique du quark b. Toutes la région au-dessus de la ligne jaune est exclue par les recherches de particules de SUSY faites par CMS. Et si on ajoute les contraintes qu’imposerait la découverte d’un boson de Higgs de 125 GeV, il ne resterait plus que les points en vert.

La composition de l’univers: 96% vient de substances complètement inconnues appelées « matière noire » et « énergie noire ».

Josef Pradler du Perimeter Institute au Canada a jeté un éclairage nouveau sur un résultat très controversé depuis des années venant de l’expérience DAMA/LIBRA. Le groupe affirme observer un signal très clair venant de la « matière noire ». Ce type de matière, fort mystérieuse et inconnue, forme 23% de tout l’univers alors que la matière qu’on connait (étoiles et galaxies) ne compte que pour 4% du contenu total.

Le problème, c’est qu’aucune autre expérience n’arrive vraiment à corroborer leurs résultats, de telle sorte que plusieurs personnes supposaient que ce signal venait de muons cosmiques. Josef Pradler et ses collègues ont démontré que les données de DAMA/LIBRA sont incompatibles avec l’hypothèse des muons cosmiques avec 99% de certitude. Le mystère demeure entier.

A partir de mesures gravitationnelles, des astronomes ont montré que la matière noire est concentrée dans le halo galactique, c.à.d. l’extérieur de notre galaxie. Quand la terre orbite autour du soleil durant son cycle annuel, elle rencontre un flux de matière noire  (représenté par le « WIMP Wind » sur le dessin). Le WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) est un des candidats de matière noire. En juin, le flux de WIMPs est plus fort (vent de face) qu’en décembre quand la terre s’éloigne de la source de ces particules.

Le détecteur DAMA/LIBRA compte moins de collisions avec des WIMPs en hiver qu’en été, d’où la modulation observée dans le nombre de particules détectées (axe vertical) suivant la période de l’année (axe horizontal).

Des signes possibles d’un boson de Higgs ayant les caractéristiques de celui prédit par le modèle standard et toujours aucune trace de la nouvelle physique, voilà ce qui résume en peu de mots une conférence qui en a laissé plusieurs songeurs.

On sait que le modèle standard ne décrit pas tout ce que l’on observe. Mais quelle est donc la véritable théorie qui aurait réponse à tout? Lisa Randall, théoricienne de l’université Harvard a rappelé que peu importe le modèle, il doit s’attaquer à deux problèmes majeurs : la brisure de symétrie (pourquoi trois particules associées à la force électrofaible sont massives et une sans masse?) et le problème dit de la « hiérarchie » (pourquoi le quark top est-il 350 000 fois plus lourd que l’électron?). De quoi rendre songeur.

Pauline Gagnon

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Ce matin à La Thuile en Italie, les expériences ATLAS et CMS du Grand Collisionneur de Hadrons ou LHC au CERN, et CDF et D0 du Tevatron ont présenté leurs résultats portant sur l’ensemble des données recueillies en 2011 sur la quête du boson de Higgs, une particule hypothétique recherchée depuis près de cinquante ans.

Ce sont les expériences du Tevatron, un autre accélérateur de particules près de Chicago, qui ont créé la surprise en annonçant  avoir observé un petit excès d’évènements pour un Higgs se désintégrant en deux quarks b entre 115 et 135 GeV, la même région de masse que pour CMS et ATLAS. L’effet combiné pour ces deux expériences correspond à une déviation de 2.2 sigma, ou, autrement dit, une probabilité de 1.4% que celà vienne du bruit de fond et non pas du boson de Higgs. Le Tevatron a cessé d’opérer en septembre dernier, donc ces résultats sont presque définitives pour CDF et D0, quoiqu’ils prévoient encore améliorer leurs analyses.

C’est le Prof. François Englert qui a ouvert la session par une présentation très enjouée ce matin à la conférence de Moriond. Il est l’un des chercheurs ayant joué un rôle clé dans l’élaboration du « mécanisme de Higgs », une description théorique expliquant comment les particules élémentaires acquièrent leur masse. La théorie actuelle qui explique à peu près tous les phénomènes observés à ce jour, le Modèle Standard , ne produit que des particules sans masse, en contradiction avec les observations expérimentales. Le seul hic: on n’a toujours pas réussi à découvrir ce fameux boson de Higgs.

CMS et ATLAS sont les deux grandes expériences en cours au LHC au CERN. Déjà en décembre dernier, les deux groupes avaient présenté des résultats préliminaires, mais aujourd’hui, la tendance se confirme après l’analyse de toutes les données et ce, dans presque tous les « canaux de désintégration ».

On s’attend à ce que le boson de Higgs soit instable. Il se « brisera » donc de différentes manières appelées canaux de désintégration.

C’est un peu comme avec un appareil qui fait la monnaie. Peu importe quelles petites pièces sortiront, la somme devrait toujours être égale à la valeur initiale. Chaque façon de donner le change correspond à un canal de désintégration. En regardant différents canaux de désintégration, on peut voir si tous correspondent à la même particule ayant la même masse.

Aujourd’hui, il reste à peine une zone de 7.5 GeV où le boson de Higgs pourrait encore se cacher autour de 124 GeV, alors qu’à la même date l’an dernier, cette plage s’étendait sur 470 GeV.

En décembre, ATLAS n’avait présenté que les résultats des deux canaux de désintégration principaux. Ayant maintenant inclus douze canaux et toutes les données disponibles, bien que les résultats aient peu changé, ils sont tout de même plus probants. ATLAS exclus la possibilité d’un Higgs dont la masse se trouverait en-dessous de 122.7 GeV (à l’exception de 118 GeV), ou entre 128.6 et 540 GeV. CMS exclut toute masse entre 127.5 jusqu’à 600 GeV.

Sur la figure, la courbe en pointillés représente en gros le nombre d’évènements qu’on devrait observé en fonction de la masse du boson de Higgs. La ligne noire montre ce qui a été observé par ATLAS. Les bandes vertes et jaunes indiquent les variations statistiques possible pour le bruit de fond entre un et deux sigma. Quand la ligne noire sort de la zone jaune, c’est qu’un excès d’évènements est observé. Pour ATLAS, l’effet le plus prononcé correspond à 2.5 sigma pour un boson de Higgs ayant une masse de 126 GeV

Dans les deux cas, la limite inférieure est légèrement plus élevée que ce à quoi on s’attendait avec les quantités de données disponibles. On aurait dû exclure en gros de 115 à 540 GeV. Si limite inférieure d’exclusion est réduite, c’est qu’on observe plus d’évènements autour de cette masse qu’on s’y attendait en l’absence d’un Higgs. Cette observation vaut pour plusieurs canaux et pour les deux expériences qui ont travaillé complètement indépendamment. L’annonce aujourd’hui par CDF et D0 qu’ils observent aussi un excès apporte donc un élément de plus qui renforce l’hypothèse de la présence d’un Higgs autour de 125 GeV.

Ceci veut dire qu’on est peut-être en train de voir les premiers signes du Higgs entre 125-126 GeV. Mais il est encore trop tôt pour se prononcer, comme par exemple lors de l’apparition du premier bouton de varicelle chez un enfant. Tant qu’il n’est pas couvert de boutons, malgré d’autres signes avant-coureurs, il est difficile d’être catégorique.

Pour CMS, la valeur la plus probable pour la masse du Higgs se situe à 125 GeV, là où l’excès d’évènements est désormais plus prononcé qu’en décembre après avoir inclus un nouveau canal impliquant deux photons et deux gerbes de particules. Cela correspond à 2.8 déviations standard, soit une probabilité de 0.26% d’être causé que par le bruit de fond – d’autres types d’évènements.

Pour CMS, le pic le plus prononcé se trouve à 125 GeV comme on le voit sur cette figure avec un excès de 2.8 sigma.

Pour ATLAS, le pic le plus prononcé se trouve à 126 GeV, avec 2.5 déviations standard, soit une probabilité de 0.6% que cela ne vienne que du bruit de fond. L’ajout d’un autre canal, celui où le Higgs se désintègre en deux bosons W, a légèrement réduit cette probabilité depuis décembre, quand on avait observé 3.6 sigma. Encore faut-il ajouter « l’effet de regarder ailleurs », i.e inclure la probabilité d’une telle variation statistique sur toute la région étudiée. La probabilité que cela soit dû au bruit de fond augmente alors jusqu’à 10-30%, selon la zone incluse.

L’accélérateur, le LHC, sera remis en marche le 14 mars et opérera cette année à  une énergie légèrement accrue, soit 8 TeV au lieu de 7 TeV comme en 2011. Cela augmentera encore un peu les chances de produire des bosons de Higgs. Si tout fonctionne aussi bien que l’an drenier, chacune des expériences devrait avoir suffisamment de données d’ici quelques mois pour avoir une réponse claire dans les mois à venir. Touchons du bois!

En résumé: pas de changements majeurs pour CMS et ATLAS, mais une tendance qui se maintient maintenant que plus de canaux et toutes les données ont été analysés. Mais avec l’annonce d’un excès similaire observé par CDF et D0, le tout est cohérent et plus convainquant. Plusieurs physicien-ne-s auront du mal à choisir la date de leurs vacances cet été…

Pauline Gagnon

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