Le 15 décembre dernier, les expériences ATLAS et CMS, en cours au LHC, l’accélérateur géant du Cern, près de Genève, ont annoncé avoir détecté un intrigant signal qui, s’il est confirmé, pourrait bien être la preuve de l’existence d’une particule inconnue qu’aucune théorie n’avait prédite. L’information, véritable coup de tonnerre, a fait le tour du monde (voir notre dossier de Science & Vie daté mai, en kiosque du 20 avril au 25 mai, n° 1184). Mais qu’est-ce que les expérimentateurs du Cern ont vraiment vu ? Une nouvelle particule ? Pas le moins du monde ! Son ombre ? A peine. Ce qui vaut bien un petit détour par le cœur des détecteurs grand-format du Cern pour le comprendre.

Les détecteurs, d’incontournables mastodontes pour détecter des bolides fugaces

D’abord, il faut avoir à l’esprit que ces particules, témoins de l’intimité de la matière que les physiciens cherchent à mettre en évidence, sont instables par nature : elles ont souvent une durée de vie qui ne dépasse pas 10exp-25 seconde (un dix-millionième de milliardième de milliardième de seconde). Si bien qu’une fois engendrées lors des collisions entre protons, elles se désintègrent avant même d’avoir atteint la première couche de détecteurs qui entourent le point d’impact.

Car c’est exactement ce que sont ATLAS et CMS : une superposition de détecteurs organisés à la manière d’un oignon. L’ensemble constituant un cylindre de 22 mètres de diamètre et 40 mètres de long, et pesant pas moins de 7 000 tonnes, dans le cas d’ATLAS. Quand CMS affiche un diamètre de 15 mètres pour une longueur de 21,5 mètres, et le poids record de 12 500 tonnes pour un détecteur de particules.

 

 

A quoi bon de tels mastodontes si, même à la vitesse de la lumière, les particules pour lesquels ils ont été construits n’ont aucune chance de les atteindre… Elles, non. En revanche, les particules qu’engendre leur désintégration, elles, oui : photons, électrons, positrons, particules composées de quarks (les hadrons) ou muons, s’ils ne sont pas tous parfaitement stables, laissent tous des traces de plusieurs mètres parfaitement visibles dans les détecteurs.

D’abord dans le trajectographe, capable de suivre la trajectoire des particules chargées jusqu’à environ 1 mètre du point d’impact. Puis, jusqu’à environ 2 mètres, dans le calorimètre électromagnétique qui arrêtent photons, électrons et positrons. Au-delà, jusqu’à 2,5 mètres dans le cas de CMS et 4,2 mètres dans le cas d’ATLAS, c’est au tour du calorimètre hadronique d’arrêter les hadrons tout en enregistrant le passage des muons. Enfin, ces derniers sont tracés dans les détecteurs de muons qui constituent l’énorme enveloppe extérieure des détecteurs.

 

Reconstituer les événements physiques comme on reconstitue un crime

Certes, mais comment connaître alors l’origine de ces débris ? Etre sûr qu’ils résultent bien de l’éphémère matérialisation de telle ou telle particule d’intérêt ? Pour ce faire, pas d’autre solution que le recours à une théorie. A la manière dont une trace de sang, quelques cheveux et la disposition des objets dans une pièce permettent déduire le déroulé d’un crime, elle permet de reconstituer la séquence des désintégrations successives dans le détecteur, jusqu’à leur déclencheur, à partir des seuls produits finaux.

Et s’agissant d’une particule que personne n’attendait ? Il faut alors déterminer, dans le cadre de la théorie en vigueur, en l’occurrence le modèle standard, la totalité des processus pouvant résulter des collisions entre protons, puis comparer leurs produits avec les données expérimentales. En cas de coïncidence parfaite, cela signifie que seule la physique prédite par le modèle standard a trouvé à s’exprimer dans le détecteur. A l’inverse, si une différence est constatée, c’est le signe qu’un phénomène non standard, éventuellement totalement inattendu, s’est produit.

Concernant la fameuse particule X, la déduction de sa possible matérialisation vient de la détection, au niveau des calorimètres électromagnétiques d’ATLAS et CMS, d’une poignée de photons qui n’auraient pas dû y être si seules des particules prévues par le modèle standard avaient été engendrées au moment des collisions entre protons. Et qui, par conséquent, résultent peut-être de la désintégration d’une particule inconnue.

C’est un peu comme si l’on jouait à pile ou face, et que l’on obtienne 10 « pile » d’affilé

Peut-être seulement, car à ce stade, ces quelques grains de lumière surnuméraires pourraient également résulter d’une simple fluctuation statistique des données. C’est un peu comme si l’on jouait à pile ou face, et que l’on obtienne 10 résultats pile d’affilés : ces résultats, même s’ils ne permettent pas de conclure qu’une pièce est truquée, commencent franchement à attirer l’attention…

C’est pourquoi il faudra attendre cet été pour être fixé définitivement. En quantité suffisante, les données permettront alors de garantir, si tel est bien le cas, que ces photons en trop n’ont rien d’une facétie du hasard. Même s’ils ne l’ont pas vu, et qu’ils ne la verront jamais, les physiciens pourront alors affirmer qu’une particule inconnue a bien pris corps dans les tréfonds de l’accélérateur géant. Et que la physique en est bouleversée !

Mathieu Grousson

Mathieu Grousson est un journaliste collaborateur de Science&Vie spécialiste de la physique fondamentale

 

> En savoir plus :

• L’Univers n’est pas ce que l’on croit – Au sommaire de Science&Vie n°1184
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• Une nouvelle physique va naître — S&V n°1152 (2013) – acheter ce numéro. La découverte du boson de Higgs au LHC a ouvert plus d’interrogations qu’elle n’a apporté de réponses.

• La matière va enfin parler — S&V n°1129 (2011). Moment clou : tout le monde a les yeux rivés sur le LHC, qui confirmera enfin l’existence du boson de Higgs, des décennies après sa théorisation.

• LHC, l’accélérateur de l’extrême — S&V n°1013 (2002). L’impatience règne chez les physiciens : en cours de construction à cheval entre la France et la Suisse, le grand collisionneur de hadrons est le plus grand outil scientifique jamais réalisé, qui repoussera les frontières de la physique.

Fatigue inexpliquée, maux de têtes , irritations oculaires, nausées, voire insuffisance respiratoire ou asthme… N’en jetez plus. Pour les experts, l’air de nos maisons est souvent si vicié qu’il nuit à notre santé. Car la pollution domestique est en moyenne de 5 à 10, voire 15 fois plus importante que celle de l’air l’extérieur ! Or, nous passons jusqu’à 90 % de notre temps dans des endroits confinés… dont en moyenne 14 heures par jour à notre domicile.

Cette pollution invisible et omniprésente pourrait, selon une étude de l’ANSES (Agence nationale de sécurité sanitaire de l’alimentation, de l’environnement et du travail), être responsable du décès prématuré de près de 20 000 de personnes par an. À ce jour, les effets de la pollution domestique sur la santé ne sont pas encore tous complètement bien évalués. En revanche, les responsables sont, eux, clairement identifiés et peuvent donc être limités, voire éliminés !

L’arme principale contre la pollution intérieure : les fenêtres

Avec le printemps, c’est le bon moment d’ouvrir les fenêtres — et même de faire le ménage… avec les bons produits.

Voici un petit tour du propriétaire pour assainir l’air. Première astuce : aérer 10 minutes, matin et soir, toutes fenêtres ouvertes. C’est le temps nécessaire pour renouveler l’air intérieur. Mieux vaut s’y mettre avant 10 h et après 21 h, quand l’air extérieur est le moins pollué.

Vérifiez la conformité des matériaux

Principale cause de la pollution intérieure, ces matériaux émettent des substances toxiques, dont des cancérogènes avérés : formaldéhyde (panneaux de bois aggloméré, peintures… ), benzène (moquettes…), styrène (matériaux isolants…), etc. Depuis janvier 2012, les matériaux de construction et de décoration sont étiquetés selon leur niveau de polluants émis (sur une échelle de A+ à C). Or, un produit classé A est autorisé à émettre jusqu’à 60 µg/m3 de formaldéhyde alors que la valeur sans risque est 10 µg/m3. Vérifiez donc les étiquettes et privilégiez le A+.

Éliminez les moisissures

Produite par les bains, le lavage et le séchage du linge, la cuisson d’aliments, ainsi que par les rejets de vapeur d’eau du métabolisme humain (14 l/jour pour 4 personnes), l’humidité favorise —quand elle dépasse 70 % et la température 5 °C— la prolifération de moisissures émettrices d’allergènes. En France, 40 % des logements sont concernés, et 64 % de ces contaminations sont indétectables à l’œil nu. Seule solution : aérer et vérifier la bon état de sa ventilation !

Privilégiez les produits d’entretien naturels

Qu’ils soient multi-usages (Javel) ou spécifiques (lave-vitre, décapant pour le four, nettoyants moquette, détachants, lessive…), tous les produits d’entretien émettent des substances toxiques (formaldéhyde, styrène, benzène, toluène, chloramines). Et ce, quelque soit leur forme : liquide, crème, lingette ou poudre. Optez pour les produits naturels (vinaigre d’alcool, savon noir, bicarbonate de soude…), inoffensifs pour une utilisation domestique.

Dégagez les trappes de ventilation

Un système de ventilation encrassé (situé souvent près des fenêtres)renouvelle moins bien l’air intérieur. Pis, il y insuffle des polluants. Pour l’entretenir, astiquez les bouches d’extraction et d’insufflation environ deux fois par an, avec un chiffon sec ou légèrement humide. Changez les filtres des caissons de ventilation une à trois fois par an, au moins une fois après la saison des pollens. Et réalisez un entretien complet par un professionnel tous les trois ans.

Sécurisez vos poêles et chaudières

Chaudières, chauffe-eau, radiateurs, poêles, cheminées… tous les appareils fonctionnant au gaz, au bois, au charbon, au fuel ou à l’éthanol peuvent libérer du monoxyde de carbone si la combustion est mauvaise ou les systèmes d’aération défectueux (grilles obstruées, conduits de fumée mal ramonés…). Ce gaz incolore et inodore s’accumule et provoque vertiges, maux de tête, nausées, signes d’une intoxication (4000 chaque année et une centaine de décès). Pensez à bien nettoyer les systèmes d’aération et à les faire contrôler régulièrement par un expert.

—K.B.

D’après S&V Questions-Réponses n°15

 

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C’est un petit monde du bout du monde que le télescope spatial Hubble vient de découvrir : un satellite tournant autour de la planète naine Makemake, laquelle se trouve aux confins du système solaire, où tournent d’autres astres de glace, comme Pluton, Haumea, Quaoar, Ixion, Sedna, Eris, Varuna…
Makemake tourne à 7,8 milliards de kilomètres du Soleil, une distance comparable à celle de Pluton, qui se trouve actuellement à cinq milliards de kilomètres. Mesurant environ 1500 kilomètres de diamètre, Makemake est l’un des innombrables corps de la Ceinture de Kuiper, que les astronomes commencent à explorer progressivement : cent mille astres de plusieurs dizaines de kilomètres les attendent probablement là bas…
Le satellite de Makemake découvert par le télescope Hubble mesure environ 150 kilomètres de diamètre et n’a pas encore été baptisé. Makemake – Makémaké en Français – est le dieu fondateur du peuple Rapa Nui de l’île de Pâques, et son satellite est provisoirement appelé MK 2.
La découverte de MK 2 confirme aux planétologues que la Ceinture de Kuiper, loin du Soleil et plongée dans un froid sidéral, est un univers d’une stupéfiante diversité, en témoignent les images de Pluton prises par la sonde New Horizons en 2015, qui révèlent, par une température de -230 °C, une complexité géologique insoupçonnée. Outre Makemake et Pluton, qui compte cinq satellites (Charon, Styx, Nix, Kerberos et Hydra), d’autres planètes naines ont révélé qu’elles possédaient un ou sans doute plusieurs satellites, comme Haumea (Namaka et Hi’iaka), Eris (Dysnomia), Quaoar (Weywot), Orcus (Vanth), Salacia (Actaea)…
L’exploration directe par l’humanité des confins du système solaire a commencé avec le passage de la sonde New Horizons dans le monde de Pluton en 2015. Prochaine étape, le 1 janvier 2019 : l’objet 2014 MU 69, distant de 6,5 milliards de kilomètres, et dont on ignore encore si il possède, lui aussi, un cortège de satellites.
Serge Brunier

Depuis l’apparition d’une anomalie observée conjointement dans les données des détecteurs ATLAS et CMS, au Cern près de Genève, la planète physique est en émoi (voir notre dossier de Science & Vie daté mai, en kiosque du 20 avril au 25 mai, n° 1184). Rien n’est encore confirmé, mais tout indique que les physiciens des particules tiennent enfin le signe qu’ils attendaient depuis des lustres. Celui qui, après 40 ans de règne sans partage d’une théorie pourtant manifestement incomplète – le modèle standard – les projettera dans une nouvelle ère de l’exploration des arcanes de l’infiniment petit.

Un caillou dans la chaussure du modèle standard

D’autant que le signal rendu public le 15 décembre n’est pas le seul caillou dans la chaussure du modèle standard, en passe d’être matérialisé au LHC, l’accélérateur géant du Cern. Il y en a un autre ! Plus discret, plus difficile à extraire des données, mais tout aussi réel que celui qui laisse croire aujourd’hui à l’existence d’une nouvelle particule qu’aucune théorie connue n’avait anticipée.

Ce coup de canif supplémentaire dans la vision que nous avons actuellement de l’univers élémentaire est le fait d’un autre détecteur en charge d’intercepter le produit des collisions entre protons à l’œuvre dans les tréfonds de l’accélérateur géant : celui de l’expérience LHCb. Plus spécialisé qu’ATLAS et CMS, celui-ci a été spécialement conçu pour étudier les désintégrations de particules composites comprenant un quark beauté (ou b), dont les théoriciens soupçonnent depuis longtemps qu’il puisse être la porte d’entrée de cette Terra incognita qu’ils cherchent sans relâche depuis des décennies. Or depuis un an, les anomalies se sont multipliées dans le LHCb.

D’étranges désintégrations

En mars 2015, comme nous vous le rapportions déjà (voir Science & Vie n° 1173, page 67, juin 2015), celles-ci ont d’abord pris la forme de directions de vol « non standards » pour certaines particules issues de la désintégration d’un méson B, une particule contenant un quark beauté. Précisément un K*, une des nombreuses particules composites appartenant au bestiaire du modèle standard, et deux muons, sorte d’électron obèse. Par ailleurs, le nombre de ces désintégrations apparaissait étonnamment bas.

Par la suite, les expérimentateurs du Cern, ont comparé la probabilité de désintégration d’un B en, d’une part un K plus deux muons, d’autre part un K plus deux électrons. Résultat : alors que le modèle standard prévoit qu’elles soient strictement égales, une différence significative a été mise en évidence entre les deux modes de désintégration.

Mais ce n’est pas tout. Alors que les processus décrits ci-dessus impliquent la transformation d’un B en une particule intégrant un quark étrange (« strange » en anglais), ou s, en l’occurrence un K ou un K*, les physiciens ont également analysé des processus où un B engendre une particule contenant un quark dit « charmé », ou c. Rebelote : de nouvelles anomalies ont été observées.

Aux Etats-Unis et au Japon, des anomalies ont aussi été observées

Autant d’anomalies dont certaines ont par ailleurs récemment été retrouvées dans les données de deux anciennes expériences, BaBar, aux Etats-Unis, et Belle, au Japon, comme en témoignent encore des résultats rendus publics la semaine dernière, lors d’un workshop organisé à Barcelone.

Certes, les équations du modèle standard qui décrivent la désintégration du méson B sont redoutablement difficiles à résoudre, et par conséquent les solutions associées entachées d’incertitudes. Si bien qu’il y a un an, l’urgence était de s’assurer de la validité des analyses menées dans le cadre du modèle standard. Mais 12 mois plus tard, comme l’indique Sébastien Descotes-Genon, directeur du Laboratoire de physique théorique, à Orsay, « de nombreux théoriciens travaillant sur le sujet pensent désormais qu’une telle piste est défavorisée. » Autrement dit, les regards se portent désormais vers une interprétation des données faisant appel à des processus « non standards ». D’autant plus que l’ensemble des anomalies observées est ainsi très facile à interpréter, aux dires des théoriciens. « Ce n’est pas une preuve, tempère Sébastien Descotes-Genon. Mais le fait est que l’on peut ainsi rendre compte de façon très économique des données du LHCb. » Au point que plusieurs théoriciens se sont déjà lancés dans l’exploration de théories au-delà du modèle standard, susceptibles de jeter un pont entre les anomalies des B et celle relevée par ATLAS et CMS !

La parole est maintenant à l’expérience

Dans un cas comme dans l’autre, la conclusion sera avant tout expérimentale. Elle viendra lorsque des données supplémentaires permettront de trancher entre une fluctuation sans signification physique, et un signal porteur d’un message notifiant que l’actuelle théorie des particules élémentaires doit enfin céder la place à une autre, encore à construire.

Concernant l’étrange signal mis en évidence auprès d’ATLAS et CMS, tous les spécialistes s’accordent à dire que le dénouement interviendra avant la fin de l’été. A l’inverse, il est probable que les bizarreries constatées dans le creuset de LHCb nécessitent un peu plus de temps pour être élucidées. Quoi qu’il en soit, c’est à l’évidence à un ébranlement sans précédent auquel nous assistons actuellement dans la connaissance des fondements de notre univers. Qui pourrait bien se transformer rapidement en un véritable tremblement de terre !

Mathieu Grousson

Mathieu Grousson est un journaliste collaborateur de Science&Vie spécialiste de la physique fondamentale

 

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