De gauche à droite, Jerome Friedman, Burton Richter, Leon Lederman. Crédit : Cern-Jean-Claude Gadmer

Sciences

12 Nobel au Cern pour les 50 ans du PS : épisode 3

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Nous sommes de retour au Cern pour le cinquantenaire du premier grand accélérateur de protons du Cern, le Proton Synchrotron (PS), qui a réuni 12 prix Nobel de physique. En voici quelques aperçus en plusieurs parties accompagnées de vidéos.

De tous les exposés du colloque sur les 50 ans du PS, celui de Carlo Rubbia était sans aucun doute le plus impressionnant, par sa maîtrise et sa virtuosité. D'une grande densité et avec beaucoup de clarté, l'exposé de Rubbia consistait principalement à expliquer en quoi provoquer des collisions entre faisceaux de protons, et surtout entre protons et d'antiprotons, est bien plus difficile que d'accélérer des protons ou des électrons pour des collisions avec une cible fixe. Carlo Rubbia a également expliqué comment on était parvenu à résoudre les multiples problèmes associés.

En effet, les seules collisions entre faisceaux de protons nécessitent une extraordinaire maîtrise de la stabilité des faisceaux et surtout une luminosité importante. Les paquets de protons doivent rester bien concentrés et doivent pouvoir entrer correctement en collision si l'on veut produire un nombre suffisant de réactions physiques importantes, comme la production de nouvelles particules.

Cliquer sur l'image pour l'agrandir. Carlo Rubbia. Crédit : Cern-Jean-Claude Gadmer

La première usine à antiprotons

Le second problème est l'obtention d'un faisceau d'antiprotons destiné au collisionneur protons-antiprotons. Le stockage de particules dans un anneau était déjà connu et les principes de base avait été découverts par Gerard O'Neill, que l'on connaît surtout pour ses travaux visionnaires à Princeton sur les colonies spatiales. Au Cern, qui fut le premier endroit au monde à devenir une usine d'antiprotons que l'on stockait dans un anneau, les travaux de Simon van der Meer et sa découverte de la technique du refroidissement stochastique ont permis de produire les bosons intermédiaires prédits par la théorie électrofaible de Glashow-Salam-Weinberg.

Ces particules furent finalement observées par les équipes dirigées par Rubbia et van der Meer avec les détecteurs UA1 et UA2 du Cern. Plusieurs vidéos retraçant la saga de la découverte des bosons W+, W- et Z0 sont disponibles sur le site du Cern.

Burton Richter (cliquer pour agrandir). Crédit : Cern-Jean-Claude Gadmer

L'exposé de Burton Richter fut l'occasion pour lui de remonter au tout début de sa carrière et d'expliquer comment il en est venu à s'intéresser aux collisions entre positrons et électrons.

Passant son doctorat au célèbre MIT au début des années 1950, il s'était pris de passion pour le sujet le plus brûlant de l'époque, l'électrodynamique quantique relativiste de Tomonaga, Schwinger, Feynman et Dyson. La théorie de la renormalisation, aujourd'hui étroitement liée au groupe de transformations proposé initialement par Gell-Mann et Low, en était encore à ses balbutiements. Les quantités infinies apparaissant dans les calculs d'auto-interaction d'un électron avec lui-même dans le cadre de l'électrodynamique quantique étaient plus ou moins sous contrôle en postulant une modification à courte distance des lois de l'électromagnétisme.

On introduisait de façon relativiste une sorte de coupure, un cut-off selon la terminologie anglaise des physiciens de l'époque, au niveau de l'énergie au-delà de laquelle les équations de l'électrodynamique nécessitaient des modifications. On pouvait alors se débarrasser provisoirement des infinis en redéfinissant le zéro de l'énergie de la théorie (voir à ce sujet l'excellente conférence Nobel de Feynman). Seuls subsistaient des processus à énergies variables qui s'ajoutaient à une seule quantité infinie, mais constante, que l'on pouvait donc "négliger" (tant qu'on ne prenait pas en compte la relativité générale en tout cas).

Richter voulait explorer cette notion de cut-off et déterminer précisément à quelle énergie et comment l'électrodynamique, telle qu'on la connaissait, devait laisser la place à courte distance à une autre théorie.

L'époque de l'inflation dans le bestiaire des nouvelles particules

Or, s'engager dans la physique des collisions avec des électrons en accélérateur était un pari dangereux au milieu des années 1950. L'époque était en effet à l'exploration des forces nucléaires et des particules hadroniques. Cela consistait à observer des collisions de protons avec d'autres nucléons. Les physiciens commençaient alors à découvrir des dizaines de particules comme les kaons, les hypérons et les résonances associées. Ce n'est que plus tard qu'on finira par comprendre ce déluge de nouvelles particules comme une conséquence des états liés de paires et de triplets de quarks, similaires aux niveaux excités des électrons liés aux atomes. Les physiciens étaient donc divisés en deux communautés plus au moins étrangères définies par les exigences de la spécialisation. Il y avait ceux, majoritaires, qui accéléraient des protons et ceux qui accéléraient des électrons pour des expériences de physique.

Les choses ne tardèrent pas à changer et l'on découvrit, notamment grâce aux travaux de Robert Hofstadter, que le proton et le neutron n'étaient pas des charges électriques ponctuelles mais possédaient une structure étendue, au moins au niveau de résolution des faisceaux d'électrons utilisés, qui faisaient des accélérateurs des sortes de microscopes électroniques géants pour scruter l'intérieur des nucléons.

Le choix de Richter de maîtriser la physique des faisceaux d'électrons eut pour conséquence la confirmation de l'existence du quark charmé, qu'il découvrit avec ses collègues du Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) en 1974, et son implication, alors qu'il passait une année sabbatique au Cern en 1975, dans les premières études portant sur le LEP.

Cliquer pour agrandir. De gauche à droite derrière Lyn Evans au premier plan les prix Nobel Jerome Friedman, Gerardus 't Hooft et Burton Richter. Crédit : Cern-Jean-Claude Gadmer

Après Burton Richter, Lyn Evans, le directeur du projet LHC, puis Rolf-Dieter Heuer, le directeur général actuel du Cern, clôturèrent la journée du 3 décembre.

L'exposé d'Evans retraçait l'histoire du projet LHC, la mise au point des dipôles supraconducteurs, leur installation dans le tunnel du LEP et aussi comment des pays comme le Japon ont fini par se joindre à l'entreprise. Heuer parla, lui, du futur du LHC dont plusieurs upgrades sont déjà prévus et en cours d'étude. Si de la nouvelle physique, par exemple en relation avec de la gravitation quantique ou de la supersymétrie, est découverte à l'horizon 2011-2012, le bruit de fond hadronique des collisions du LHC ne permettra pas d'en faire une étude fine. Il faudra en revenir à des collisions entre électrons et positrons et c'est pourquoi des collisionneurs linéaires similaires à celui du SLAC mais dépassant le TeV sont à l'étude depuis plusieurs années. Il s'agit du Collisionneur Linéaire International (ILC) et du Collisionneur Linéaire Compact (CLIC).

On peut confondre un prix Nobel et un malade mental

La journée du vendredi 4 décembre débuta à nouveau par des exposés sur les découvertes expérimentales à l'origine du modèle standard. Mais elles devaient laisser place par la suite aux interventions des théoriciens qui ont joué un rôle crucial dans la découverte des théories des interactions électrofaibles et de la chromodynamique quantique. En contrepoint tout de même à la théorie, les exposés de Friedman et Ting étaient là pour rappeler l'indispensable dialogue entre expérience et théorie.

Leon Lederman est bien connu pour son humour, et sa rétrospective de l'histoire de la physique des neutrinos, des travaux de Pauli et Fermi jusqu'à la découverte des neutrinos muoniques (à laquelle il a participé) fut bien sûr accompagnée de quelques anecdotes. En voici quelques-unes.

Alors qu'il se trouvait dans un train allant de Chicago au Fermilab, dont il fut le directeur pendant des années, un groupe de personnes souffrant de troubles psychiatriques monta dans son wagon. Plusieurs prirent place autour de Lederman et une des infirmières accompagnatrices se mit à les compter : «  un, deux, trois... » puis s'interrompit, surprise par la présence de Lederman, pour lui demander qui il était, ce à quoi ce dernier répondit : « Je suis Leon Lederman, directeur du Fermilab et prix Nobel de physique ». La réaction de l'infirmière fut évidemment : « d'accord, quatre, cinq, six... ».

Très drôle aussi fut l'histoire de la réaction de Enrico Fermi à la question que le jeune étudiant Lederman avait posée au repas lors d'une conférence : « Professeur Fermi, que pensez-vous des preuves de l'existence de la particule Lambda0  ? ». « Jeune homme, répondit Fermi, si je pouvais me souvenir des noms de toutes les particules que nous découvrons actuellement, j'aurai été un botaniste. »

Cliquer pour agrandir. Au premier plan James Cronin. Crédit : Cern-Jean-Claude Gadmer

L'influence de Fermi sur la naissance de la physique des particules il y a 50 ans fut à nouveau rappelée par James Cronin, l'un des découvreurs de la violation CP dont ont pense qu'elle a un rôle fondamentale dans la résolution de l'énigme de l'asymétrie matière-antimatière dans l'Univers. Cette violation fait en effet partie des 3 critères découverts par Andrei Sakharov et que doit satisfaire tout modèle cosmologique expliquant la prédominance de la matière dans le cosmos observable.

La présence de Cronin dans le grand auditorium du Cern n'était pas une nouveauté pour lui car, 47 ans plus tôt, il y assistait à une conférence qui devait l'orienter vers l'usage des chambres à étincelles (spark chamber). Ce type de détecteur fut utilisé par lui et ses collègues en 1964 pour étudier les désintégrations des mésons K0-K0 barre et découvrir la violation CP impliquant une non équivalence entre les deux directions d'écoulement du temps pour certaines réactions entre particules élémentaires.

Quelques années plus tard, Kobayashi et Maskawa réalisèrent que le seul moyen de rendre compte théoriquement de la violation CP dans les mésons K à l'aide de la théorie des quarks étaient de faire intervenir non pas 3 mais bien 6 quarks dans la théorie des forces nucléaires fortes, la chromodynamique quantique encore appelée QCD. Si la violation CP étudiée aujourd'hui à l'aide des mésons possédant le quark b, découvert par Lederman et son équipe au Fermilab en 1977, ne suffit pas à expliquer la prédominance de la matière sur l'antimatière, on pense que des processus analogues ont dû se produire, probablement dans le cadre d'une théorie de Grande Unification (GUT), au tout début de l'histoire de l'Univers observable.

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