Le Service de Physique des Particules (SPP)

Un événement candidat pour la production d'un boson de Higgs et sa désintégration en deux photons, dans le détecteur CMS auprès du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN.

Avec la découverte du boson de Higgs en 2012,  l'ensemble des mesures effectuées auprès du LHC au CERN démontre la très grande cohérence interne du Modèle standard de la physique des particules. Cependant, la compréhension des constituants élémentaires de la matière et des interactions qui les lient reste incomplète. D'autre part, les observations astronomiques les plus récentes confirment que l'expansion cosmique et la formation des grandes structures résultent principalement de l'action gravitationnelle de formes de matière ou d'énergie dont on ne connait pas la nature. Les physiciens et physiciennes du SPP abordent par la démarche expérimentale ces questions qui sont parmi les plus profondes que posent la physique et la cosmologie modernes.

 

Les grandes questions en physique des particules et cosmologie    

 

Quelles sont les symétries qui régissent les interactions entre constituants ultimes de la matière ?

 

Les propriétés du boson de Higgs, découvert en 2012 au LHC du CERN, sont-elles conformes aux prédictions du Modèle Standard de la physique des particules ?  L'étude détaillée du boson de Higgs fournira-t-elle la clé de la physique au-delà du Modèle Standard, et permettra-t-elle de lever le voile sur la nature de la matière noire ? 

 

Pourquoi la force gravitationnelle est-elle si incroyablement faible comparée à l'électromagnétisme et aux forces nucléaires ?  Existe-t-il des dimensions supplémentaires d'espace ?

 

La masse grave et la masse inertielle sont-elles équivalentes ? L'antimatière antigravite-t-elle ?

 

Le neutrino est-il une particule de Majorana, c'est-à-dire un fermion qui est sa propre anti-particule ?  La symétrie CP entre la matière et l'antimatière est-elle mise en défaut dans les oscillations de saveur que subissent les neutrinos au cours de leur propagation ?  Le fait que les neutrinos aient une masse très faible mais non nulle a-t-il un lien avec l'asymétrie cosmique entre matière et antimatière ?

 

Quels seront les grands accélérateurs du futur ?  Quelles sont les stratégies à adopter au niveau français, européen et mondial pour progresser dans la compréhension du monde physique ?

 

 

Signal du boson de Higgs dans sa désintégration en quatre leptons (pic en bleu clair, autour de 125 GeV) au-dessus du fond du Modèle standard (en rouge), dans l'expérience ATLAS auprès du Grand Collisionneur de Hadron (LHC) du CERN.

Quelle est la nature de la matière noire ?  Peut-on détecter la présence de la matière noire directement dans l'espace qui nous entoure avec des détecteurs souterrains, ou indirectement en analysant les rayons gamma de très haute énergie qui proviennent du centre de la galaxie ?  Peut-on mettre en évidence la production de particules de matière noire dans les collisions de protons au LHC ?

 

Quelle est la nature de l'énergie noire ?  S'agit-il d'une constante cosmologique, ou sa densité varie-t-elle au cours de l'histoire cosmique ?  Peut-on exploiter toutes les sondes cosmologiques disponibles (rayonnement cosmologique, super novae, oscillations acoustiques de baryons, distorsions de décalage spectral, lentilles gravitationnelles faibles, etc.) pour identifier les composantes contribuant de l'expansion cosmique ?

 

Peut-on développer des principes de détecteurs de particules à la fois hyper-sensibles, hyper-rapides, résistants dans des conditions de radiations extrêmes, et raisonnablement bon marché ?

 

Peut-on exploiter les technologies de détection mises en oeuvre en physique des particules à des fin sociétales, par exemple en développant des instruments de visualisation médicale performants (tomographie par émission de positons) ou des systèmes innovants de production d'électricité à partir de l'énergie solaire ?

 

Les activités scientifiques du SPP

Les trois piliers du service de physique des particules :
la physique des particules, la cosmologie et l'instrumentation

Le physiciens et physiciennes du SPP travaillent au sein d’une quinzaine d’expériences internationales. Les activités scientifiques du SPP s'articulent selon trois axes principaux :

 

Constituants élémentaires et symétries fondamentales

  • Tests et extensions du Modèle standard

    • Expérience au Tevatron (Fermilab) : D0

    • Expériences au LHC (CERN) : ATLAS, CMS

  • Physique des neutrinos

    • Expériences longue ligne de base : T2K, DUNE, HyperK

    • Désintégration double-béta sans émission de neutrino : Lumineu

    • Expériences réacteur : Nucifer, Double-Chooz

    • Expérience source radioactive intense : CeSOX

  • Antimatière et gravitation

 

Contenu énergétique de l'Univers

  • Physique des astroparticules et recherche de la matière noire

    • Recherche directe de matière noire : Edelweiss

    • Neutrinos de très hautes énergies : Antares

    • Rayons gammas de très hautes énergies : H.E.S.S., CTA      

  • Cosmologie : Univers sombre et grandes structures

 

Instrumentation

  • R&D détecteurs et accélérateurs du futur 

    • R&D détecteurs gazeux micro-configuration : RD51

    • Mise à niveau des détecteurs ATLAS et CMS pour la phase haute-luminosité du LHC

    • Prototype détecteur à Argon liquide double-phase pour DUNE : WA105

    • Détecteur TPC pour un collisionneur linéaire électron-positon : ILC/ILD

    • Futur collisionneur circulaire : FCC

  • Imagerie médicale (TEP)

  • Energies alternatives 

    • QYOS

 

 

 

Une interaction de neutrinos dans le détecteur proche ND280 de l'expérience T2K (Japon). Les traces en vert représentent les particules chargées issues de l'interaction, qui sont reconstruites à l'aide des détecteurs TPC, au nombre de trois, qui ont été conçus par les équipes de Saclay.

La physique expérimentale avant toutes choses

 

Les physiciens et physiciennes du SPP sont des expérimentateurs. Ils conçoivent les expériences en évaluant les idées théoriques, parfois en les développant eux-mêmes, et en les confrontant aux possibilités techniques pour les tester. Puis ils participent à l’élaboration détaillée des détecteurs, à leur mise en service et au suivi de leur fonctionnement. Enfin, il réalisent l’analyse des données recueillies et la comparaison avec les modèles théoriques envisagés. La relation étroite entre physiciens et services techniques au sein de l'Institut est là un atout essentiel.

 

Dans la plupart des cas, les expériences sont menées par des collaborations internationales qui rassemblent des dizaines d’équipes. Pourtant, on peut souvent reconnaître directement l’impact des physiciens du SPP dans le dessin global d’une grande expérience, dans la conduite de son processus, et dans l’organisation de son analyse.

 

Région du centre galactique vue par l'expérience H.E.S.S. en rayons gamma de très haute énergie. Les physiciens du SPP ont mis en évidence un Pévatron, accélérateur astrophysique de protons à des énergies extrêmes, probablement lié au trou noir supermassif central Sgr A*.

La physique de l'infiniment petit et de l'infiniment grand

 

L'héritage scientifique du vingtième siècle est immense, tant sur le plan théorique qu'expérimental.  La théorie de la relativité restreinte et la mécanique quantique, développées dans les premières décennies, s'unissent dès les années trente dans des théories de champs quantiques où chaque particule est l'expression matérielle d'un champ qui emplit l'espace-temps, et d'où les interactions émergent de principes de symétrie.  Le Modèle standard de la physique des particules rassemble deux de ses théories. La première, la chromodynamique quantique (QCD), qui traite de l'interaction nucléaire forte, est d'une extrême élégance conceptuelle mais d'une extrême complexité lorsqu'il s'agit de mener à bien des calculs prédictifs. La seconde est la théorie électrofaible, qui regroupe les interactions électromagnétique et nucléaire faible sous un unique principe de symétrie. Un principe de symétrie auquel justement n'obéit pas l'état fondamental de la théorie, qu'on appelle le vide quantique car il décrit l'absence de particules réelles. Ce phénomène de brisure de la symétrie de la théorie par l'état du vide, connu sous le nom de mécanisme de Higgs, rend compte d'une part de la très faible portée de l'interaction nucléaire faible (dont l'influence ne s'étend pas au-delà du nucléon), d'autre part de la masse des quarks et des leptons chargés (électron, muon et lepton tau) et de leurs antiparticules.  

 

C'est sur un autre monument de la physique du vingtième siècle, la théorie de la relativité générale d'Einstein, que se construit la cosmologie moderne, qui décrit l'évolution de l'Univers et la formation des grandes structures.  Dans les années 1990 a émergé le Modèle standard de la cosmologie, connu sous le nom de Lambda-CDM, qui permet de rendre compte de l'ensemble des observations cosmologiques. A grande échelle, l'Univers est uniforme, isotrope et de courbure spatiale nulle, et son expansion se poursuit sous l'action de quatre composantes : la matière ordinaire baryonique (atomes, molécules, etc.) qui représente environ 5% du total ; la matière noire, composée de particules massives hypothétiques (environ 25%) ; et une nouvelle forme d'énergie, l'énergie noire, qui exerce une pression gravitationnelle négative responsable de l'accélération récente de l'expansion cosmique (70%)

 

L'étude de la forêt Lyman-alpha d'un grand nombre de quasars distants par l'expérience BOSS permet de sonder la formation des structures dans l'univers d'il y a une dizaine de milliards d'années, à une époque où l'expansion cosmique subissait un ralentissement sous l'action gravitationnelle de la matière (point rouge, sur la gauche) avant la transition vers un univers en expansion accélérée sous l'influence de l'énergie noire.

Une époque formidable

 

Le vingt-et-unième siècle a déjà apporté des découvertes expérimentales majeures en physique des particules et en cosmologie, auxquelles les physiciens et physiciennes du SPP ont contribué : la découverte de la violation de symétrie matière-antimatière dans le système des mésons B avec l'expérience BABAR en 2001 (Prix Nobel de physique attribué aux théoriciens M. Kobayashi et T. Maskawa en 2008), la découverte de l'accélération de l'expansion de l'Univers qui conduit à la notion d'énergie noire (Prix Nobel attribué à S. Perlmutter, B. Schmidt et A. Riess en 2011), les  grandes avancées sur les oscillations de neutrinos qui démontrent que les neutrinos ont une masse (Prix Nobel de physique attribué à T. Kajita et A. McDonald en 2015), et la découverte du boson de Higgs en 2012 par les expériences ATLAS et CMS au LHC du CERN (Prix Nobel de physique attribué aux théoriciens P. Higgs et F. Englert en 2013). 

 

Enceinte acrylique qui entoure la cible d'un des deux détecteurs de neutrinos de l'expérience Double Chooz, dans les Ardennes.

Une grande tradition de physique à Saclay

 

Les physiciens et physiciennes de Saclay jouent depuis des décennies un rôle important dans la vérification expérimentale du Modèle standard de la physique des particules.  Parmi les grandes expériences de physique des particules auxquelles le SPP a participé dans le passé, mentionnons : UA1 et UA2 auprès du collisionneur SppS du CERN, où furent découverts les bosons vecteurs de l'interaction faible W et Z dans les années 80 ; ALEPH et DELPHI (également OPAL) auprès du LEP au CERN, où fut étudié le boson Z et recherchée la supersymétrie dans les années 90 ; D0, auprès du TEVATRON au Fermilab (USA), où fut découvert le quark top en 1992 et dont les résultats ont jalonné les années 2000 ; NA48 au CERN et BABAR au SLAC (USA), où fut étudiée l'asymétrie entre la matière et antimatière et la physique des saveurs de quarks lourds avec des kaons et des mésons B ; et H1 auprès de HERA à DESI (Allemagne) où le contenu du proton en quarks et gluon a été étudié. 

 

Le SPP a joué un rôle pionnier dans la physique des neutrinos, auprès du réacteur nucléaire commercial du Bugey ou du réacteur de recherche Osiris, avec la détection de neutrinos solaires avec Gallex, et au CERN, bien sûr, avec une lignée d'expériences dont Nomad dans les années 90.  

 

La recherche directe de matière noire est également une grande tradition à Saclay, en particulier par des expériences très bas bruit de fond exploitant des cristaux scintillants et la détection bolométrique, comme l'expérience Edelweiss au laboratoire souterrain de Modane.  La recherche indirecte de matière noire a débuté dans les années 90 avec l'expérience Eros de détection de naines brunes par effet de lentille gravitationnelle dans la direction des nuages de Magellan, puis avec le détecteur sous-marin de neutrinos Antarès, au large de Toulon dans la Méditerranée, et le réseau de télescopes à imagerie Chérenkov H.E.S.S. dans le désert Namibien pour la détection des rayons gamma de très haute énergie. 

 

La cosmologie est une activité scientifique relativement récente au SPP, qui a débuté dans les années 2000 avec l'exploitation des super-novae 1A comme chandelles standard pour mesurer l'accélération de l'expansion de l'Univers, avec l'expérience SNLS, et la participation au satellite Planck dont les observations du fond diffus cosmologique ont permis les mesures précises des paramètres cosmologiques, et l'étude des super-amas de galaxies à des fins cosmologiques. Les cosmologistes du SPP sont experts dans l'exploitation des oscillations acoustiques de baryons (BAO) et l'analyse des forêts Lyman-alpha dans les spectres de quasars lointains, ainsi que dans les simulations cosmologiques permettant par exemple de contraindre la masse des neutrinos. 

 

Le but du projet CaLIPSO d'un détecteur de rayons gamma de 511 keV rapide, efficace, et de très grande résolution spatiale, est devenir une technologie clé pour une nouvelle génération de tomographes par émission de positons (TEP).

L'animation scientifique au SPP

 

Au printemps 2016, le SPP comptait 73 physiciens permanents, dont 68 salariés du CEA, 6 postdoctorants, 33 étudiants en thèses et deux assistantes de direction. Les physiciens sont répartis en une quinzaine de groupes de 3 à 18 physiciens. Le secrétariat du service assure la gestion des dossiers, conférences, missions, congés, etc. Le bon déroulement des thèses est une priorité au SPP. Chaque doctorant est accompagné pendant la durée de sa thèse par un « parrain » qu’il choisit lui-même en dehors de son groupe. Plusieurs physiciens ont des activités d’enseignement à l’extérieur de l'Irfu, pour des volumes et des auditoires variés.

 

Le conseil scientifique et technique du SPP se réunit environ 2 fois par an pour examiner les propositions d’expériences ou suivre les expériences approuvées. L’animation scientifique spécifique du service comprend un séminaire chaque lundi, un "apéro" convivial chaque vendredi, et des clubs thématiques (cosmologie, neutrinos) où sont discutées en détail les dernières publications dans le domaine.

 

Chef de service : Gautier Hamel de Monchenault

Adjoint du chef de service : Georges Vasseur

Assistantes de direction : Martine Oger

Gestion et support : Béatrice Guyot

 

Maj : 01/03/2017 (8)

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