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© SLAC

Le sous-détecteur à effet Cerenkov de Babar est constitué de 11 000 photomultiplicateurs qui permettent d'identifier les particules. En service depuis 1999, Babar doit fonctionner jusqu'en 2008.

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En ce matin d'automne, l'effervescence règne sur le campus d'Orsay, en région parisienne. La Fête de la science bat son plein, et les bus déversent dans les allées bambins et adolescents venus se frotter les méninges à ceux qui font la science au quotidien. Certains vont découvrir aujourd'hui le monde de l'infiniment petit, où règnent d'étranges créatures – les particules – et où les lois défient souvent le sens commun. Leurs pas les mèneront inévitablement à un long bâtiment accolé à un impressionnant dôme de béton : le Laboratoire de l'accélérateur linéaire (LAL).

C'est là que quelque trois cent vingt chercheurs, ingénieurs et techniciens planchent sur la physique des particules. « Notre laboratoire est un peu le vaisseau amiral de cette discipline au CNRS », explique Guy Wormser, son directeur.

Créé en 1956, le LAL doit son nom à l'accélérateur d'électrons qui y a fonctionné jusqu'en 1984. Si la machine n'existe plus, la recherche ne s'est pas arrêtée pour autant. « L'accélérateur fait partie intégrante de notre identité, et grâce à lui et aux instruments qui ont suivi, nous avons acquis une très forte compétence dans la conception de ces machines », indique Guy Wormser. Ainsi, le LAL prend part à des projets d'accélérateurs dans le monde entier : le Large Electron Positron collider (LEP) il y a quelques années au Centre européen pour la recherche nucléaire (Cern), à Genève, la Tesla Test Facility à Hambourg, l'accélérateur Elyse pour la chimie, à Orsay, et les futurs International Linear Collider (ILC) et Compact Linear Collider (CLIC) du Cern. Et non contents de les concevoir, ils les utilisent sans vergogne !

Le modèle standard en question

L'une des expériences les plus impressionnantes auxquelles participent les chercheurs du LAL s'appelle Atlas. Installée au Large Hadron Collider (LHC) du Cern, qui doit entrer en service en 2007, elle a pour objectif d'ouvrir les portes d'une nouvelle physique. Excusez du peu ! « La physique des particules est gouvernée par une série de lois que nous appelons modèle standard, explique Caroline Collard, du groupe Atlas. Cette “Bible” décrit parfaitement la plupart des phénomènes que nous observons. Cependant, certains d'entre eux, comme la grande disparité des masses des particules, la nature de ces masses, la force de gravité, échappent encore à ce cadre. » De nouvelles théories ont donc été inventées, comme la supersymétrie, qui postule l'existence de particules « partenaires » de toutes celles qui existent déjà. « Grâce à Atlas, nous espérons dénicher toutes ces particules inconnues », ajoute Caroline Collard. Et même trouver le fameux boson de Higgs, prédit en 1964 pour expliquer la masse des particules mais jamais observé.

Pour entamer l'exploration de cette nouvelle physique, il fallait une machine à la hauteur du défi. Atlas est un véritable mastodonte. Long de 44 mètres, haut de 22 mètres, il affiche près de 7 000 tonnes à la balance ! « Au LAL, nous nous sommes occupés d'un détecteur – le calorimètre électromagnétique – qui permet de mesurer l'énergie des électrons et des photons. » Sa structure inédite, en accordéon, a d'ailleurs été inventée au laboratoire. Il est aujourd'hui en cours de test au LHC.

« La nouvelle physique des particules, c'est un peu comme une boîte solidement fermée. On peut essayer de la forcer, ce que fera Atlas. Sinon, on peut aussi deviner ce qui se cache à l'intérieur en la secouant. Cela requiert moins d'énergie. » Le sourire aux lèvres, Marie-Hélène Schune décrit ainsi deux autres expériences dans lesquelles ses collègues du LAL et elle sont fortement impliqués : Babar et LHCb. Toutes deux ont pour objectif d'étudier un phénomène répondant au doux nom de « violation de la symétrie CP ». Si cette symétrie CP était respectée, les propriétés des particules et de leurs antiparticules seraient identiques. Certaines d'entre elles jouent pourtant les fortes têtes et l'enfreignent allégrement. Cette violation est loin d'être anodine : dans le modèle standard, elle est l'une des conditions nécessaires à l'émergence d'un monde fait de matière, au détriment d'un monde d'antimatière. Seulement le taux de violation calculé théoriquement ne suffit pas à expliquer pleinement pourquoi la matière a pris le pas sur l'antimatière.

Alors ? Le modèle standard est-il encore pris en défaut ? C'est pour le vérifier qu'ont été mises au point des expériences telles que Babar, sur l'accélérateur américain PeP2 du Stanford Linear Accelerator Center (Slac) en Californie, et LHCb, sur le LHC. Elles permettent de mesurer le taux de violation de la symétrie CP lors des désintégrations de particules appelées mésons beaux. « Certains des taux observés dans Babar sont en bon accord avec ceux prédits par le modèle standard, d'autres sont différents, mais nous ne savons pas à l'heure actuelle si c'est dû à des fluctuations statistiques ou s'il s'agit des signes avant-coureurs d'une nouvelle physique », reconnaît Marie-Hélène Schune. La réponse viendra alors peut-être de LHCb, qui étudiera, à partir de 2008, d'autres types de désintégrations de mésons beaux avec beaucoup plus de précision et de puissance.

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© LAL

Installé dans le tunnel du Fréjus, Nemo 3 recueille des données depuis février 2003 afin de prouver que le neutrino est une particule de Majorana massive.

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Autre particule, autre défaillance du modèle standard. Cette fois, c'est le neutrino qui est en cause. Cette particule neutre, dont il existe trois types (électronique, muonique et tau), a été décrite pour la première fois dans les années trente mais n'a été observée que vingt ans plus tard. La raison est simple : bien qu'étant la particule la plus abondante dans l'Univers, le neutrino n'interagit pratiquement pas avec la matière. Il traverse tout sans laisser de trace, même la Terre et ses habitants. D'après le modèle standard, il ne possède pas de masse. Or plusieurs expériences menées ces dernières années ont prouvé le contraire. Par ailleurs, le génie italien Ettore Majorana avait émis l'hypothèse que ce neutrino pouvait être sa propre antiparticule. Encore une caractéristique qu'interdit le modèle standard mais qui s'accorde avec les théories dites de grande unification. Afin de mesurer la masse du neutrino et de tester l'hypothèse de Majorana, les physiciens du LAL collaborent donc à l'expérience Neutrino Ettore Majorana Observatory (Nemo). « Il s'agit d'un appareil conçu pour détecter la désintégration radioactive dite “double bêta interdite”, une réaction qui, pour avoir lieu, impose que le neutrino soit bien comme Majorana l'a prédit », explique Corinne Augier. Installé sous 1 600 mètres de roche dans le tunnel de Fréjus, à Modane, le détecteur Nemo 3 (il s'agit de la troisième génération) est un cylindre de 6 mètres de diamètre et de 4 mètres de haut contenant des feuilles de divers matériaux pouvant produire une désintégration double bêta, comme le molybdène 100, le sélénium 82, le zirconium 96… « La plus grande difficulté a été d'éliminer toute source de “bruit” radioactif, indique Corinne Augier, du groupe Nemo. Les feuilles ont été purifiées au maximum, chaque vis a été vérifiée et nous avons même dû mettre le détecteur sous une tente dotée d'un système de filtrage du radon, pourtant en très faible quantité dans le tunnel. » Aucun signal de désintégration double bêta interdite n'a encore été décelé. Peut-être faudra-t-il attendre le successeur de Nemo, Supernemo, qui devrait embarquer 100 kilos d'émetteurs double bêta, dix fois plus que l'appareil actuel.

Les regards tournés vers le ciel

« Les recherches en physique des particules ne concernent pas que l'infiniment petit mais aussi l'infiniment grand, observe Guy Wormser. Environ 30 % des activités du LAL concernent la cosmologie. » Le laboratoire est partie prenante dans le projet Planck, un observatoire spatial dont le lancement est prévu en 2008. Son objectif : cartographier l'ensemble du ciel afin de mesurer finement le rayonnement fossile émis environ 380 000 ans après la naissance de l'Univers, lorsque la lumière et la matière se sont séparées. « Il existe de très légères fluctuations dans ce rayonnement, correspondant à des variations de densité de la matière à cette époque, explique Cyrille Rosset, du groupe Planck. Nous supposons qu'elles sont à l'origine des grandes structures de l'Univers, comme les amas de galaxies. » En observant ce rayonnement dans une gamme étendue de longueurs d'onde et en mesurant sa polarisation, Planck permettra d'affiner les modèles de formation du cosmos. Il pourrait alors lever une partie du voile sur les deux plus grandes énigmes de l'astrophysique : l'énergie noire, responsable de l'accélération de l'expansion de l'Univers, et la matière noire, à l'origine de la masse manquante de l'Univers, et qui serait justement constituée de particules encore inconnues. Des particules qui pourraient peupler la terra incognita que les physiciens du LAL s'apprêtent à fouler.

Fabrice Demarthon