Un nouveau "c?ur" pour l'expérience CMS
Le détecteur CMS du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN a re?u jeudi une nouvelle pièce ma?tresse. Il s'agit d'un détecteur à pixels qui, à l'instar d'un appareil photo numérique à haute vitesse, prend jusqu'à 40 millions d'images par seconde.
Des physiciens et des ingénieurs ont présenté jeudi au CERN la pièce ma?tresse de l'expérience CMS. page externeCMS-(Compact-Muon-Solenoid-Experiment) a été remplacé. Il s'agit de l'un des deux détecteurs universels qui avaient détecté le boson de Higgs en 2012. A l'époque, ce détecteur avait permis de mettre en évidence un cha?non jusqu'alors manquant dans le modèle standard de la physique des particules, prédit dès les années 1960 par différents physiciens théoriciens. L'expérience CMS est l'un des quatre grands détecteurs au page externeGrand collisionneur de hadrons (LHC),Le LHC est le plus grand et le plus puissant accélérateur de haute énergie au monde. Dans le LHC, long de 27 kilomètres et situé à 100 mètres sous terre aux portes de Genève, le détecteur enregistre les collisions de particules.
Contribution de l'ETH Zurich à l'expérience CMS
La mise à niveau du détecteur de pixels CMS a été précédée de près de dix ans de recherche. Les scientifiques de l'ETH Zurich y ont joué un r?le de premier plan en tant que membres du consortium suisse. Le consortium comprend également des chercheurs de l'Université de Zurich et de l'Institut Paul Scherrer (PSI). Selon Günther Dissertori, professeur à l'ETH Zurich et porte-parole adjoint de l'expérience CMS, la "transplantation cardiaque" représente une étape importante en vue de la prochaine phase d'acquisition de données, qui devrait commencer à la fin du printemps 2017. "Nous allons rechercher de nouveaux phénomènes physiques prédits par le modèle standard. Gr?ce au nouveau détecteur, nous pourrons à l'avenir effectuer des études et des mesures encore plus précises". Selon Dissertori, l'ETH Zurich et le Domaine des EPF ont apporté une contribution essentielle au développement du détecteur en termes de technologie, de recherche et de financement, tout comme les anciens dirigeants et physiciens de CMS tels que Felicitas Pauss, Ralph Eichler et Hans Hofer.
Détecteur de particules - comme un anneau d'oignon
"Imaginez le détecteur comme les différents anneaux d'un oignon", explique Rainer Wallny, professeur à l'Institut de physique des particules de l'ETH Zurich. "La couche la plus interne contient le détecteur à pixels, qui est le plus proche de l'événement". Une centaine de chercheurs ont collaboré au nouveau détecteur à pixels, long de sept mètres, sous la direction de Roland Horisberger du PSI. Les parties sensibles du détecteur ont été construites sur cinq sites différents, puis testées et soumises à un contr?le de qualité à l'ETH Zurich. Elles ont ensuite été assemblées au PSI et finalement transportées au CERN pour y être installées.
Selon Malte Backhaus, collaborateur au sein du groupe Wallnys, la nouvelle pièce ma?tresse, dont la technologie a été améliorée, dispose d'une couche de silicium supplémentaire qui crée une redondance et permet de mesurer jusqu'à 50 collisions de protons simultanément, soit environ deux fois plus qu'auparavant. Les chercheurs se réjouissent d'ores et déjà des nouvelles technologies de détecteurs à pixels qui seront probablement disponibles à partir de 2025. Celles-ci sont nécessaires pour la mise à niveau du LHC prévue à cette date, gr?ce à laquelle il sera possible de mesurer jusqu'à 200 collisions simultanées.
Expérience CMS (toutes les photos : CERN)
Détecteur de pixels - comme une caméra à haute vitesse
On peut se représenter un détecteur à pixels comme un appareil photo numérique capable de prendre 40 millions de photos par seconde avec environ 100 millions de pixels. Lorsque des particules chargées électriquement traversent les couches de silicium et pénètrent à l'intérieur du détecteur, elles créent des perturbations locales et réversibles appelées paires électron-trou. Lorsque les électrons se déplacent ensuite dans le détecteur, les scientifiques peuvent enregistrer le signal, numériser les données et déterminer les coordonnées spatiales de la collision. Ces données aident les physiciens à comprendre comment la nature fonctionne dans les plus petites unités détectables de l'espace-temps et comment les particules élémentaires interagissent entre elles.
"Il y a encore beaucoup de questions ouvertes en physique des particules. Des détecteurs comme l'expérience CMS ouvrent de nouvelles possibilités d'y répondre", explique Wallny. "Nous savons très bien comment la physique fonctionne aux échelles qui nous intéressent. Mais aux dimensions de l'univers, il y a de nombreuses questions auxquelles nous ne pouvons pas répondre. Nous savons par exemple qu'il existe dans l'univers de la matière inconnue, que nous appelons 'matière noire' et qui est cinq fois plus fréquente que la matière normale. Si nous ajoutons à cela ce que nous appelons 'l'énergie noire', que nous enregistrons avec les satellites Planck et WMAP, nous ne comprenons qu'environ 5 % de la masse et de l'énergie totales de l'univers".
La coopération scientifique, un modèle pour la société ?
Jusqu'à présent, les distinctions telles que le prix Nobel récompensent surtout les succès personnels. Mais à l'avenir, la collaboration dans la recherche scientifique va prendre de l'importance. Car celle-ci ne favorise pas seulement l'échange de connaissances, mais rend aussi la recherche moins co?teuse. La construction, l'entretien et l'exploitation des accélérateurs de particules peuvent facilement s'élever à plusieurs milliards de francs. Rien que pour l'expérience CMS, environ 4000 personnes sont impliquées, des scientifiques et ingénieurs aux collaborateurs administratifs en passant par les techniciens. Sans coopération internationale, des installations de recherche comme le CERN ne pourraient pas fonctionner. L'expérience CMS n'est qu'un exemple de la manière dont des communautés multinationales et multiculturelles peuvent coopérer pacifiquement vers un objectif commun.
