Faits marquants 2009
Les détecteurs de nouvelle génération de l'expérience de recherche de matière noire Edelweiss viennent de livrer leurs premiers résultats. Remarquablement fiables et robustes, ils permettent une excellente suppression de signaux parasites. A peine installés et pas encore au complet, ces nouveaux détecteurs permettent déjà à l'expérience d'être 10 fois plus sensible qu'auparavant dans sa capacité à mesurer une interaction de « wimp»1 , particule massive interagissant faiblement, candidate à la matière noire.
Ce saut de sensibilité permet à l'expérience de rejoindre le « peloton de tête » mondial des expériences cherchant à détecter ces nouvelles particules. Ces premiers résultats viennent d'être soumis à publication dans la revue Physics Letter B
Article soumis à à Phys Lett. B en ligne
En 2010 la masse utile de détecteurs sera triplée pour améliorer encore le potentiel de découverte.
Depuis plus de 20 ans le niobium massif règne en situation de monopole pour les applications hauts gradients des cavités radiofréquence supraconductrices (SRF) pour les accélérateurs de particules mais arrive près de ses limites ultimes. Ce n'est que récemment qu'un théoricien de FSU, A. Gurevich a proposé à la fois une explication sur l'origine du succès du niobium et sur un moyen de dépasser son monopole. Ce modèle théorique n'a jamais été démontré expérimentalement à ce jour. Une collaboration entre l'Irfu de Saclay et l'Inac de Grenoble vient de franchir cette étape vers de nouvelles technologies d'accélération.
AGATA (Advanced Gamma Tracking Array) est un instrument de nouvelle génération pour l'étude des noyaux par spectroscopie gamma. Ce spectromètre se composera de 180 détecteurs de germanium de très grande pureté. La collaboration AGATA rassemble environ 40 instituts européens. L'Irfu y joue un rôle clef dans la définition des programmes de physique, la construction du spectromètre et de l'électronique associée. Les services d'instrumentation de l'Irfu ont proposé pour ce projet une solution innovante pour le refroidissement des détecteurs et ont développé des modules de basse et de haute tension. Une chaîne de validation des détecteurs a été mise en place au sein de l'Irfu. D'importants jalons de ces développements ont été validés ces derniers mois.
Le lundi 23 novembre 2009, marque la première collision de faisceaux de particules au sein des grands détecteurs du LHC. ALICE a vu ses premières collisions à une énergie de collision de 900 GeV permettant de vérifier le bon fonctionnement de ces 18 grands détecteurs le constituant. Dès le 27 novembre, avec seulement quelques jours de données, la collaboration a même publié un article confirmant des mesures existantes.
Le groupe de l'Irfu, responsable du bras dimuons, a du attendre des conditions de faisceaux plus stables pour voir leurs détecteurs réagir aux données issues des collisions et le 6 décembre tous les détecteurs gazeux ont pu être mis sous tension. Les traces des premiers muons ont pu être reconstruites avec succès apportant une grande satisfaction à toute l'équipe qui a hâte de reprendre des données pour le redémarrage prévu en février 2010.
Le spectromètre à muons du détecteur ALICE1 a enregistré des rayons cosmiques pendant deux semaines fin mars 2009. Le groupe ALICE de Saclay2 s'est beaucoup impliqué dans la conception, la mise au point, la fabrication et l'installation d'une partie des chambres qui constituent ce spectromètre3. Ce test réalisé à l'aide des rayons cosmiques avait pour but de vérifier le bon fonctionnement de la chaîne complète depuis l'acquisition jusqu'à la reconstruction des données. Au total un million de canaux environ ont été lus par le système d'acquisition et les données ont été enregistrées sur la grille de calcul. Près de 15000 traces ont été reconstruites dans des conditions proches de l'expérience avec du faisceau. Le test cosmique a été un succès. Il a montré que les chambres du spectromètre ont un comportement stable. Il a aussi permis de mettre en évidence certains points faibles de l'appareillage. Les tests se poursuivent actuellement et permettront de procéder à la correction des défauts observés.
Un test cosmique impliquant tous les détecteurs d'ALICE est prévu au mois d'août, quelques semaines avant les premières injections de faisceau du LHC.
La quête d'ALICE:
Alice est l'expérience du LHC dédiée à l'étude du Plasma de Quarks et de Gluons (QGP), un état de la matière où les quarks et les gluons, ne sont plus confinés à l'intérieur des protons et neutrons. Cette soupe primordiale aurait existé dans les premières microsecondes de la naissance de l'univers. Au CERN, elle sera produite lors des collisions d'ions plomb à haute énergie. Le spectromètre à muons d'ALICE détectera les muons venant des résonances J/Psi et Upsilon des premiers faisceaux du LHC. La suppression de telles résonances a été annoncée comme une signature du QGP.
Le spectromètre à muons:
Son rôle est de détecter des paires μ+ / μ- issues des désintégrations des résonances J/Psi et Upsilon, signatures les plus prometteuses de la création du plasma quark-gluon. Le spectromètre (figure 1), qui couvre une ouverture angulaire entre 2 et 9 degrès, est constitué : d'un absorbeur, de 5 stations de trajectographie (1-5), avec la troisième station se trouvant à l'intérieur du Dipole chaud, un mur de feret des chambres de déclenchement. Chaque station inclue 2 plans de cathodes faits de damiers de différentes tailles en x et y (différentes granularités).
Voilà maintenant plus de deux ans qu'Antares 1, télescope sous-marin immergé à 2500 mètres dans les abysses méditerranéens, scrute le ciel au travers de la Terre en détectant des neutrinos. Aujourd'hui plus d'un millier d'entre eux ont déjà été observés, permettant de dresser les premières vues du ciel et d'y rechercher des neutrinos cosmiques très énergétiques, témoins des phénomènes les plus violents de l'Univers.
Les neutrinos sont des particules qui interagissent très peu avec la matière. Émis dans les cataclysmes les plus violents de l'Univers, ils pourraient permettre de prouver que ces phénomènes sont à l'origine du rayonnement cosmique, essentiellement des protons, qui bombardent la Terre en permanence. Ces protons nous parviennent en effet déviés par les champs magnétiques intergalactiques, nous empêchant de déterminer leur origine.
La détection des neutrinos est un défi qu'il n'est possible de relever qu'avec d'immenses détecteurs, protégés de ce même rayonnement cosmique. Antares, installé au large de Toulon, s'en protège grâce à un blindage naturel de 2000 mètres d'eau. Le déploiement du détecteur, qui a duré deux ans, s'est achevé en mai 2008. Aujourd'hui 885 « yeux », leur électronique de lecture et de traitement des données, - imaginés et construits à CEA-Irfu - s'égrènent par groupe de trois le long de 12 lignes souples de 450 mètres de haut. Ces lignes, plus hautes que la tour Eiffel, sont ancrées aux fonds marins sur un espace équivalent à 4 terrains de football.
Après l'accident survenu sur l'accélérateur du LHC quelques jours après sa mise en service en 2008, la collaboration ATLAS était impatiente d'observer de « vrais » événements produits au centre du détecteur, et de faire fonctionner l'appareillage en conditions réelles. Après quelques jours d'essais avec un seul faisceau, Atlas enregistrait le 23 novembre ses premières collisions proton-proton, à l'énergie d'injection dans le LHC (450 GeV par faisceau, soit 900 GeV dans le centre de masse de la collision). Les analyses ont permis de reconstruire des particules instables connues en détectant leurs produits de désintégration, prouvant le bon fonctionnement des détecteurs et des logiciels associés. Le groupe Atlas du service de physique de particules de l'Irfu a aussi pu vérifier le comportement des sous-ensembles des détecteurs à muons, et du calorimètre électromagnétique dont ils ont la responsabilité. Des collisions à 2,38 TeV (1,19 TeV par faisceau) ont été enregistrées avant la mise au repos du LHC le 16 décembre, établissant un nouveau record mondial pour l'accélérateur de particules le plus puissant du monde. Le LHC redémarrera en février 2010 après un court arrêt technique en vue de collisions à plus haute énergie et à plus haute intensité. La collaboration ATLAS sera prête pour comprendre ces collisions encore jamais observées.
Les premières données du sondage Boss (Baryon oscillation spectroscopic survey) ont été obtenues dans la nuit du 14 au 15 septembre. Cette expérience, dédiée à la recherche des oscillations de baryons, ouvre une nouvelle ère de recherche sur l'énergie noire et l'évolution de l'Univers. Elle implique notamment des équipes de l'IN2P3(1)/CNRS, de l'INSU(2)/CNRS et du CEA.
Le prix Nobel de Physique 2008 a récompensé Makoto Kobayashi et Toshihide Maskawa pour avoir compris que les intéractions faibles ne traitaient pas de la même manière les particules et les antiparticules1. Dans ce formalisme, l'on s'attend à ce que l'interaction forte introduise le même type d'asymétrie entre quark et antiquark.
Or il n'en est rien ! Problème ! Pour expliquer cette anomalie des interactions fortes, les théoriciens ont postulé l'existence d'une nouvelle particule nommée « axion » du nom d'une lessive car elle permet de laver le problème. Neutre et légère, cette particule serait analogue à un photon avec lequel elle pourrait se coupler. Elle interagirait en revanche peu avec la matière, si peu que, pour l'instant, elle n'a jamais été observée.
CAST2 est une expérience destinée à détecter cette particule hypothétique qui pourrait être produite en abondance par le Soleil. La collaboration a récemment publié des résultats (« Journal of Cosmology and Astroparticle Physics ») permettant de réduire les limites sur la prédiction de la masse de l'axion.
La traque aux axions continue grâce à l'amélioration des performances des détecteurs Micromegas de CAST, permettant de diminuer le niveau de bruit de fond extrêmement bas dans le domaine des basses énergies, entre 1 et 10 keV et d'augmenter donc la limite basse de détection de ces hypothétiques particules.
Pourquoi les axions nous intéressent ?
Les axions sont des particules introduites par les théoriciens pour expliquer l'apparente symétrie entre matière et antimatière dans les interactions fortes. Ces axions, neutres et de très faible masse, sont de plus des candidats pour expliquer la matière noire dans l'univers. Les modèles théoriques et les observations astrophysiques contraignent la masse des axions à un intervalle compris entre quelques µeV/c2 et quelques eV/c2.
L'absence d'observation des axions dans l'expérience CAST a permis d'établir la meilleure limite expérimentale sur la constante de couplage axion-photon, pour des masses inférieures à 0.4 eV/c2 (figure 1). Pour la première fois cette limite atteint la bande jaune privilégiée par les modèles théoriques.
Depuis le redémarrage du LHC le 20 novembre, CMS a bénéficié des excellentes performances d'opération du collisionneur pour enregistrer de nombreuses données utiles à la vérification de son bon fonctionnement et à son étalonnage. CMS a démontré durant cette période la stabilité des conditions de travail du détecteur, ainsi que l'efficacité de sa chaîne d'analyse des données, depuis le détecteur jusqu'aux équipes d'analyse à travers le monde, et ceci en dépit de conditions de faisceaux changeant très rapidement.
Du premier faisceau à la première collision
Le 20 novembre, le premier faisceau a atteint CMS à l'énergie d'injection (450 GeV) autour de 19 h. Dès 23 h 30, le deuxième faisceau a à son tour atteint le détecteur. CMS a tout de suite mis à profit les interactions entre le faisceau circulant et la matière environnante, en détectant dans les calorimètres électromagnétique (ECal) et hadronique (HCal), ainsi que dans les chambres à muons des bouchons, les particules ainsi produites. Ces beam splash events ont permis, par exemple, d'améliorer la synchronisation des deux calorimètres et aussi de tester les performances des chambres à muons.
Le 23 novembre vers 13 h, pour la première fois, deux faisceaux ont circulé simultanément dans le LHC. Dès le début de l'après-midi, les faisceaux ont été conduits à se croiser aux points où sont situés les détecteurs Atlas et CMS. Dans la soirée, les faisceaux ont été optimisés pour CMS qui a pu enregistrer ses premières « vraies » collisions.
Le quark top est une particule élémentaire étonnante. Il est le plus lourd des six quarks du modèle standard de la physique des particules puisqu’il « pèse » autant qu’un atome d’or. Il est aussi particulièrement fugace et se désintègre en d’autres particules avant même de former des particules « composites » comme le font les autres quarks plus légers. Il a été découvert en 1995 par les expériences D0 et CDF au Fermilab près de Chicago, le seul accélérateur de particule suffisamment puissant pour produire cette particule élémentaire de masse si élevée. Jusqu’ici, les deux expériences n’avaient observé le top que dans la production de paires quark-antiquark. Elles viennent de mettre en évidence un autre type de réaction encore plus rare où un seul quark top est produit en « célibataire ». Au-delà de la prouesse expérimentale, cette découverte qui a fait l'objet d’un article dans la revue Physical Review Letters1, permet de mesurer un des paramètres du modèle standard et confirme que les six quarks que nous connaissons sont les seuls nécessaires.
Depuis que le modèle standard de la physique des particules est confronté à l'expérience, rien n'a pu encore le faire vaciller. De toutes les particules qu'il décrit, seul le boson de Higgs n'a pas encore été découvert. Mais le modèle standard n'est vraisemblablement pas la théorie ultime : il n'intègre pas la gravitation et de nombreuses observations expérimentales restent inexpliquées.
Une nouvelle invariance, appelée supersymétrie, a été proposée dans les années 1970. Elle associe entre elles des particules ayant des spins différents (bosons de spin entier et fermions de spin demi-entier). Il est possible de construire des extensions supersymétriques du modèle standard qui viennent résoudre de façon élégante des problèmes mathématiques qui surgissent dans le calcul de la masse du boson de Higgs. Ces extensions marquent une étape vers une théorie complète des interactions qui permettra d'unifier toutes les interactions; électrique, magnétique, gravitationnelle, faible et nucléaire. Jusqu'ici, aucun partenaire supersymétrique de particules connues à ce jour n'a été découvert. L'expérience D01 qui prend des données auprès du Tevatron de Fermilab, (Etats-Unis) vient de publier2 des résultats concernant les recherches de bosons de Higgs qui sont nécessaires aux extensions supersymétriques du modèle standard. L'analyse a été réalisée avec l'ensemble des données disponible à ce jour, soit plus d'un milliard et demi d'événements.
Trouver un higgs supersymétrique léger
Au Tevatron, collisionneur proton-antiproton de haute énergie, les bosons de Higgs supersymétriques pourraient être produits en abondance s'ils sont suffisamment légers. Un canal privilégié pour les mettre en évidence, est celui de leur production associée avec un quark beau3 (b), H0b. Comme les bosons de Higgs supersymétriques légers sont supposés eux-mêmes se désintégrer, dans 90% des cas, en deux quarks beaux, la recherche de la production de ce type d'événements revient donc à identifier des événements ayant au moins 3 jets4 issus de quarks beaux dans l'état final.
Avant l'entrée en fonction du LHC, le Tevatron situé au Fermi National Accelerator Laboratory, Fermilab (près de Chicago, États-Unis) reste le collisionneur le plus puissant du monde et le seul endroit où le quark top1 peut être produit.
L'expérience DØ vient de publier2 les résultats de mesure du taux de production de paires de quarks top-antitop. Cette quantité, dépendante de la valeur de la masse du quark top, permet de donner une prédiction sur cette masse dans le cadre du modèle standard3. Découvert en 1995 au Fermilab, le quark top reste un sujet de recherche très actif. Les méthodes d'analyse et la quantité de données ne cessent de s'améliorer permettant d'accroitre la précision de mesure de la masse du quark top. La mesure précise de cette valeur, associée à d'autres résultats de mesures de précision, permet d'estimer la valeur la plus probable de la masse du boson de Higgs. Ainsi l'étau se resserre autour de la quête du boson de Higgs en améliorant les mesures de la masse du quark top.
La deuxième phase de l'expérience internationale Double Chooz a été officiellement lancée, mercredi 20 mai. La déclaration d'intention signée par les quatre partenaires (CEA, CNRS, EDF, région Champagne-Ardenne) est le premier pas essentiel vers la construction du second détecteur consacré aux recherches sur les neutrinos, auprès de la centrale nucléaire de Chooz.
Les participants avaient auparavant visité le site du premier détecteur, actuellement en construction. Il devrait détecter les premiers neutrinos issus de la centrale dès la fin de l'année et cherchera à mesurer une disparition de neutrinos issus du flux primaire. Le second détecteur sera en opération dans deux ans. Il mesurera précisément le flux et le spectre en énergie des neutrinos émis et conduira à une importante amélioration du contrôle et de la précision des mesures.
Depuis le lancement des travaux en juillet 2007, une nouvelle salle blanche de la plateforme accélérateurs de Saclay vient d'être achevée et sera inaugurée le 24 novembre 2009. En effet, les installations de chimie et salle blanche du Service des Accélérateurs, de Cryogénie et de Magnétisme (SACM) de l'Irfu, situées à l'Orme n'étaient plus en mesure de subir les remises à niveau requises pour participer aux développements actuels. Ainsi, un hall du bâtiment 124 (ancien laboratoire Saturne) a été rénové pour accueillir les futures installations et équipements compatibles avec les besoins des futurs accélérateurs pour la recherche ainsi que des projets de collaboration avec des industriels intéressés par la maîtrise de systèmes à cavités supraconductrices.
Depuis le 23 Avril 2009, le MSS (Magnet Safety System) est opérationnel au J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex, Tokaï, Japon).
Le MSS, conçu et réalisé par l'Irfu / SIS, protège 28 aimants supraconducteurs à fonctions combinées (dipôles et quadripôles). Ces aimants, parcourus par un courant de 4400 A, courbent un faisceau de protons selon un arc de 90 degrés, dans un tunnel de 150 m de long. Les protons sont destinés à produire des neutrinos envoyés vers le détecteur Super-Kamiokande, à 295 km à l'ouest de Tokai, en passant sous la surface de la terre.
En plus de ces 28 aimants, le MSS protège également 6 aimants de correction supraconducteurs (courant maximum = +/- 50 A).
Lorsque le MSS détecte une transition des aimants (un quench) ou un défaut sur leur circuit électrique, il commande la diminution du courant et la décharge de l'énergie stockée dans les bobines. Il empêche aussi les protons d'entrer dans la ligne de faisceau de T2K, dans un délai de 10 millisecondes.
Les équipes d'ingénieurs et de physiciens de l'Irfu ont réussi l'intégration de deux grandes chambres, permettant de reconstruire les traces de particules chargées. Ces chambres caractériseront le faisceau de neutrinos de l'expérience T2K (Tokai to Kamiokande). Ce sont les premières grandes chambres TPC équipées de détecteurs de type micro-structure (Micromegas). La surface de détection de l'ensemble est très importante (presque 9m²) et le nombre de canaux d'électronique en proportion (124000). L'Irfu a réalisé l'ensemble du système de détection des trois grandes chambres à échantillonnage temporel (TPC), comprenant 72 détecteurs Micromegas et toute l'électronique frontale. Une nouvelle puce (AFTER) et deux cartes électroniques, permettant de transmettre au système d'acquisition les signaux numérisés à travers un ensemble de 72 liens optiques gigabit ont été spécialement conçues par les ingénieurs du SEDI (service d'Electronique des Détecteurs et d'Informatique). Avant leur installation au Japon dès cet automne, les deux chambres ont été testées, à TRIUMF (Canada), en février et juin.
Les premiers tests en faisceau et avec des rayons cosmiques ont permis de reconstruire des traces avec la précision de l'information attendue. Il s'agit d'un jalon important dans la réalisation d'un détecteur clé pour l'expérience T2K.
La collaboration SNLS (Supernova Legacy Survey, au télescope France-Canada-Hawaï) vient d'obtenir la meilleure mesure au monde du taux d'explosion des étoiles massives alors que l'univers n'était âgé que de 10 milliards d'années. Ce résultat, fruit d'un travail mené par une équipe de chercheurs du Service de physique des particules de l'Irfu 1 au CEA-Saclay sur les trois premières années de données de SNLS, est crucial pour compréhension de l'origine et de l'évolution des éléments chimiques dans le milieu interstellaire. Cette mesure semble indiquer qu'il y a aujourd'hui 2 à 4 fois moins de supernovas qu'il y a 3,7 milliards d'années. Notre Univers serait-il en train de s'éteindre ?
Des supernovas pour ensemencer l'Univers
Une supernova est une étoile qui devient brutalement aussi brillante que toute une galaxie. Vue de la Terre elle apparait comme une étoile nouvelle. Elle correspond en fait à l'explosion d'une étoile, qui s'accompagne d'une augmentation brève mais fantastiquement grande de sa luminosité.
Les supernovas sont des événements rares : leur taux est estimé à environ une à trois par siècle dans notre Voie lactée. Mais il est à noter qu'à notre époque aucune supernova n'a été observée dans notre Galaxie depuis l'invention du télescope ! La dernière date du temps de Kepler en 1604.
Les supernovas jouent un rôle essentiel dans l'Univers, car c'est lors de leur explosion que les étoiles libèrent les éléments chimiques qu'elles ont synthétisés tout au long de leur vie et en produisent même de plus lourds. Ces éléments sont nécessaires à la constitution de planètes comme la Terre et à l'apparition de la vie. De plus, l'onde de choc de la supernova favorise la formation de nouvelles étoiles en amorçant ou en accélérant la contraction de régions du milieu interstellaire.
