Les physiciens des particules à la recherche de la nouvelle physique

Le LHC, le Grand collisionneur de hadrons au CERN (Conseil européen pour la recherche nucléaire) produit des centaines de millions de collisions de protons par seconde. Aujourd’hui, les chercheurs de l’expérience LHCb, à laquelle participe l’EPFL, n’arrivent à enregistrer qu'un maximum de 2000 d’entre elles grâce à l’un des détecteurs installés sur l’accélérateur. Un exploit technologique qui laisse tout de même les physiciens sur leur faim. Ils en sont persuadés, des réponses à plusieurs questions ouvertes se cachent potentiellement dans cette manne inexplorée.

Dans la physique des particules élémentaires, le Modèle standard - théorie qui décrit de la manière la plus satisfaisante les phénomènes - est bien vérifié, mais les scientifiques savent qu’il manque des pièces. D’où la recherche de phénomènes au-delà du Modèle standard, appelé “nouvelle physique”, pouvant expliquer la disparition de l’antimatière après le Big Bang, et la nature de la matière noire qui est à ce jour uniquement détectée par des mesures astronomiques, et qui constitue pourtant quelque 30% de l’Univers.

«Pour extraire plus d’informations des données du LHC, nous avons besoin de nouvelles technologies pour notre détecteur LHCb » explique Aurelio Bay du Laboratoire de physique des hautes énergies. Plusieurs instituts, ainsi que l’EPFL, développent les nouveaux éléments qui serviront à la mise à jour de l’expérience en 2020.

La fibre scintillante pour détecter les particules

Après 5 ans de développements, les physiciens de l’EPFL en collaboration avec quelque 800 scientifiques internationaux impliqués dans le projet LHCb viennent de franchir une première étape capitale, soit l’optimisation de leur outil de travail. Ils ont choisi de construire un nouveau détecteur, un trajectographe à fibres scintillante. Ce détecteur est appelé SciFi.

La production du nouveau détecteur, comportant 10'000 km de fibres scintillantes, chacune mesurant 0.25mm de diamètre, a déjà commencé. Traversées par des particules, ces fibres ont la particularité d’émettre des signaux lumineux qui seront captés par des diodes amplificatrices de lumière. Les fibres scintillantes seront juxtaposées en maillage sur 3 panneaux de 5 mètres sur 6, installés derrière un aimant, à la sortie du point de collision de l’accélérateur LHC. Ainsi, les particules produites par les collisions traverseront plusieurs de ces «matelas» de fibres et déposeront un peu de leur énergie au passage, produisant quelques photons de lumière, ensuite transformés en signal électrique.

L’information sur le passage des particules dans les fibres est suffisante pour en reconstituer leur trajectoire. À partir de ces données, les physiciens reconstituent les états physiques primitifs. «Il faut en quelque sorte faire le parcours à rebours de ces particules et revenir à leur point de départ. Cela devrait nous aider à comprendre ce qui s’est passé il y a 14 milliards d’années, avant que l’antimatière ne disparaisse laissant la place à la matière que l’on connaît», précise Aurelio Bay.

Un flux de données gigantesque

Le SciFi est un élément essentiel pour permettre l’acquisition des données à la vitesse maximale, il est doté de filtres optimisés pour préserver uniquement les données utiles. Dans un monde idéal, les physiciens aimeraient collecter et analyser 100% des données sans avoir besoin de trop de filtres. Mais cela impliquerait un flux de données gigantesque.

«Peut-être est-on déjà à la limite, car il faut bien enregistrer les données quelque part…d’abord sur support magnétique puis les distribuer sur le GRID. Le GRID du LHC a des machines en Italie, en Hollande, en Allemagne, en Espagne, au CERN, en France, en Angleterre,… beaucoup de pays participent, de nombreuses analyses de ces données sont faites en parallèle», ajoute le physicien en montrant son ordinateur. Il pointe du doigt l’écran: en rouge, les programmes qui ne fonctionnent pas bien ou ceux qui essaient depuis plusieurs jours de s’enfiler dans les priorités.

Et de conclure avec toute la philosophie dont sait faire preuve un physicien… « Si le LHC n’a pas assez d’énergie pour déceler la nouvelle physique, c’est cuit pour ma génération de physiciens ! Il faudra penser à une nouvelle machine, pour la prochaine génération.»

Dossier de presse
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