Les chercheurs Bernhard Lauss et Georg Bison dans une chambre isolée par champ magnétique pour des neutrons ultra-froids.| Photo: Ruben Hollinger

La pluie fouette les visages, poussée par un vent printanier, et contraste avec la chaleur agréable et le calme concentré qui règnent dans l’immense halle de l’Institut Paul-Scherrer (PSI). Une grue industrielle glisse presque sans bruit à travers l’espace, chargée d’éléments en béton de plusieurs tonnes. Des ouvriers les réceptionnent et les empilent comme des legos. La pièce maîtresse du PSI, l’accélérateur de protons, se trouve en dessous, à l’abri des regards.

«On voit le grand cyclotron, ici», lance Klaus Kirch en pointant du doigt un coin de la halle depuis la galerie. Le directeur du laboratoire de physique des particules du PSI explique le fonctionnement de l’installation, en service à Villigen depuis 1974. Le cyclotron – une partie de l’accélérateur – a un diamètre de 15 mètres et se cache sous 2 mètres de béton qui protègent les scientifiques du rayonnement. «A l’intérieur, les protons sont maintenus sur leur trajectoire par huit aimants de 240 tonnes chacun et accélérés à 80% de la vitesse de la lumière», détaille Klaus Kirch. Sur un tableau, il montre comment le faisceau de protons est envoyé sur des trajectoires en spirale toujours plus grandes, avant d’être dirigé à travers la halle, vers les installations expérimentales proprement dites. C’est là que se trouvent différents détecteurs utilisés pour les expériences de l’Infrastructure suisse pour la physique des particules (Chrisp).

Un coup d'œil dans la grande halle d’expérimentation du PSI. Actuellement, une dizaine d’expériences de physique des particules y partagent leurs temps de mesure.

Dans cet aimant vert sera bientôt installé un dispositif permettant d’observer un milliard de désintégrations de muons par seconde.

Un chercheur travaille sur le détecteur de l’expérience Mu3e qui se déroulera dans l’aimant vert.

Blindage maximal: les chercheurs Bernhard Lauss et Georg Bison se tiennent au milieu d’une chambre d’expérimentation pour neutrons ultra-froids. La chambre se trouve dans une immense halle de recherche de l’Institut Paul Scherrer PSI à Villigen (AG).

La chambre d’expérimentation pour les neutrons ultra-froids est entourée d’une sorte de cabane en bois à l’intérieur de laquelle plus de 50 kilomètres de câbles veillent à compenser les variations magnétiques de l’environnement.

Entre pions et muons

«Il existe deux grandes tendances en physique des particules expérimentales, explique Klaus Kirch. L’une consiste à doter des particules individuelles d’une quantité toujours plus importante d’énergie et à essayer de produire de nouvelles particules par des collisions.» C’est ce qui se produit par exemple au Grand Collisionneur de hadrons du CERN. L’approche suivie au PSI est, elle, tout autre, puisqu’on y produit des faisceaux de particules particulièrement intenses. «Nous examinons ainsi des processus rares que nous devons pouvoir mesurer avec précision.» L’objectif: trouver des signaux que le modèle standard de la physique des particules ne permet pas d’expliquer. Celui- ci décrit trois des quatre forces fondamentales que nous connaissons dans l’Univers et classifie toutes les particules élémentaires connues.

Lors de notre visite, l’installation est à l’arrêt pour révision. Partout, des spécialistes vérifient des chiffres et des codes sur leurs écrans. D’autres sont affairés à raccorder des appareils ou aménagent des emplacements pour l’expérimentation. Lorsque tout sera de nouveau assemblé et blindé, l’un des faisceaux de protons parmi les plus puissants du monde jaillira du cyclotron annulaire. Après un léger virage à gauche, ce faisceau entre brièvement en collision avec deux anneaux de graphite en rotation. «L’impact sur les noyaux d’atomes de carbone dans la cible produit d’abord des pions, décrit Klaus Kirch. Ces particules composées de deux quarks se désintègrent ensuite en muons en quelques fractions de seconde.» Ces particules élémentaires constituent ici la base de nombreuses expériences. Elles ressemblent aux électrons, mais pèsent environ 200 fois plus et peuvent être produites en grande quantité au PSI. Leur vitesse comparativement faible permet aussi de réaliser des expériences uniques en leur genre, afin d’éclairer les zones d’ombre du modèle standard.

Une recherche intensive

Après une brève promenade entre les armoires de distribution et en passant par quelques escaliers et galeries, nous nous approchons de l’une de ces expériences: le MEG II. Une feuille de plastique opaque cache un long tube, entouré de câbles, d’aimants et d’appareils de mesure. Un chercheur grimpe sur le détecteur, dont il vérifie les branchements.

«Avec MEG II, nous étudions la désintégration des muons au Chrisp. Nous cherchons des processus de désintégration qui ne devraient pas exister dans le modèle standard», résume Klaus Kirch. La durée de vie des muons est extrêmement courte et leur désintégration survient après 2,2 microsecondes environ, produisant d’autres particules plus stables, en général un positon et deux neutrinos. Dans des cas très rares, d’autres voies de désintégration pourraient se présenter, mais n’ont encore jamais été observées. «Nous voulons mesurer la probabilité qu’un muon se désintègre en un positon et un photon, soit en une particule de lumière.» Si un tel processus était observé au PSI, cela ferait sensation. «Nous cherchons quelque chose que personne n’a encore jamais vu. Mais avec un faisceau aussi intense que celui du PSI, la probabilité que nous puissions le trouver augmente.»

Lors de l’expérience précédente, menée entre 2009 et 2013, il est apparu que tout au plus un muon sur 2,4 milliards pouvait subir la désintégration recherchée en un positon et un photon. C’est le nombre de désintégrations de muons observées sans que l’événement extraordinaire se soit produit. Mais ce n’est pas un échec, car ce constat a repoussé la limite des possibilités théoriques, livrant des indices supplémentaires à la recherche fondamentale.

Dans MEG II, on veut observer ce que personne n’a encore vu: comment un muon se désintègre en un pion et un photon. Selon le modèle standard de la physique, ce processus ne devrait même pas exister.

Ces boutons commandent l’alimentation électrique de l’aimant supraconducteur de MEG II.

Klaus Kirch dirige le laboratoire de physique des particules du PSI et est responsable du Chrisp. Autour de son cou, le dosimètre obligatoire pour surveiller le rayonnement radioactif.

Au-dessus d’une zone où les particules rencontrent leur cible et où de nouvelles sont produites, de nombreux éléments en béton assurent une protection efficace contre la radioactivité.

Le coeur du site, le cyclotron annulaire de l’accélérateur de protons, se trouve sous une couche de béton épaisse de 2 mètres. Sur le béton, une photo montre en taille réelle l’installation en dessous.

Quelques mètres plus loin, une expérience apparentée va bientôt chercher un autre processus de désintégration de muons «en principe interdit» d’après le modèle standard. Mu3e mesure si les muons se désintègrent parfois aussi en trois électrons – deux positifs et un négatif. «Quand l’expérience est en cours, on peut observer ici un milliard de désintégrations de muons par seconde», note Klaus Kirch. Une quantité énorme de données à reconstruire et à sonder pour l’analyse ultérieure. Ici aussi, un chercheur oeuvre encore sur le détecteur de Mu3e pour rendre cette mesure hautement précise, juste à côté d’un cylindre de métal vert foncé de 2 mètres de diamètre qui protégera bientôt l’expérience.

A travers le mur de béton de la halle, on accède à l’autre côté du Chrisp. Ici, les stars sont des neutrons ultra-froids – des particules à très faible énergie. Un «kicker» permet de dévier à la manière d’un aiguillage le faisceau de protons venant de la halle principale. Ici, les neutrons sont expulsés des noyaux des atomes et si ralentis qu’on pourrait les accompagner au pas de course. «Nous pouvons ensuite les enfermer dans des conteneurs et les utiliser pour une expérience à long terme sur le moment dipolaire électrique du neutron», explique Bernhard Lauss qui dirige la recherche avec les neutrons ultra-froids. Le moment dipolaire électrique mesure les différences de répartition des charges électriques positives et négatives dans un corps.

Selon la théorie courante des particules élémentaires, les neutrons ne devraient pas présenter de moment dipolaire électrique mesurable. Il n’y aurait donc pas de différences de charge à l’intérieur d’une telle particule. «En simplifiant beaucoup, l’expérience n2EDM veut démontrer si le neutron tourne un peu dans un champ électrique, explique le chercheur. Cela pourrait signifier que ce moment dipolaire existe quand même.» Un tel résultat permettrait aussi de mieux expliquer l’existence de matière dans l’Univers. «Selon la théorie standard, il devrait y avoir à peu près autant de matière que d’antimatière», dit-il. Mais l’antimatière n’est plus visible nulle part.

Mesurer ce phénomène exige des conditions magnétiques précises, l’expérience étant sensible aux moindres variations des champs magnétiques. «Quand un camion passe près du PSI, le champ magnétique se modifie», note Georg Bison, spécialiste des mesures de champs magnétiques, et responsable de la chambre de blindage. Une grande cabane en bois sert de coffrage. A l’intérieur, plus de 50 kilomètres de câbles compensent la moindre variation magnétique. Pour le reste aussi, il faut veiller minutieusement à ce que les neutrons puissent être mesurés sans interférences. A cette fin, la cabane abrite un cube blanc dans lequel se déroulera l’expérience. Ses parois contiennent plusieurs couches d’un alliage de nickel et de fer. Un ensemble de 45 tonnes. Pour apercevoir le cœur de ce coffre-fort mystique, il faut ouvrir trois portes, et ôter ses chaussures ou porter des protections. Car la moindre poussière magnétique au mauvais endroit suffit à anéantir toute l’expérience, comme le note Georg Bison.

Pas moins de 14 groupes de recherche sont associés au projet n2EDM. A elle seule, la chambre blindée a coûté 2,4 millions de francs. L’ouvrage, unique en son genre, est financé par l’ETH Zurich, le PSI et le Fonds national suisse. Comme dans la recherche sur les muons, Bernhard Lauss et son équipe guettent ce qui ne devrait en principe pas exister. Et là aussi, le modèle précédent, bien plus petit, a livré un résultat nul. Mais les trois chercheurs ne renoncent pas et mettent tout en œuvre pour que la sensation se matérialise au PSI.