Faits marquants 2008
Le 14 novembre 2008, le solénoïde géant de CMS a produit avec succès son champ nominal de 4 T . Ce succès couronne les efforts de l'Irfu dans la conception et la réalisation du plus grand solénoïde supraconducteur du monde. Pendant cette période d’environ un mois, les équipes de CMS ont effectué une campagne de prise de données cosmiques ininterrompue avec le détecteur dans les conditions nominales, collectant ainsi 300 millions d'événements. Cette réussite a permis de mettre en valeur des compétences spécifiques à l’Irfu, notamment en matière de détection, de l’électronique à la reconstruction de traces en passant par les systèmes de contrôle.
η b, c’est le nom de la particule récemment découverte par les physiciens de l’expérience BaBar. Cet état fondamental du «bottomonium», ensemble des particules formées d’un quark b et d’un antiquark b , était recherché depuis plus de 30 ans et a été identifié dans les désintégrations de la particule Y(3S), un état excité du bottomonium, à partir des dernières données prises en 2008 par l’expérience BaBar. La mesure précise des caractéristiques de cette nouvelle particule est déterminante pour le test et la détermination des paramètres des modèles théoriques de l’interaction forte.
Les physiciens des collaborations CDF et DZero, en combinant leurs analyses sur les données prises ces cinq dernières années au Tevatron de Fermilab (Chicago), ont fait un pas de plus vers la mise en évidence du boson de Higgs, chaînon manquant tant recherché du modèle standard. CDF et DZero ont annoncé le 3 août à la conférence internationale de physique des hautes énergies de Philadelphie que la combinaison de leurs analyses combinées exclut avec une grande probabilité (95%) que la masse du boson de Higgs se situe autour de 170 GeV/c2 (c’est-à-dire environ 170 fois la masse du proton). Cette exclusion est particulièrement intéressante car les limites indirectes obtenues précédemment tendaient à indiquer que la masse du boson de Higgs se situerait plutôt entre 115 et 190 GeV/c2. Le résultat du Tevatron, fruit d’une recherche directe, rétrécit donc le domaine possible de masse de ce boson. C’est aussi le premier nouveau résultat de recherche directe du boson de Higgs après les résultats obtenus à l’accélérateur LEP du Cern qui s’est arrêté en 2001.
Le positronium est un état lié entre un électron et son antiparticule, le positon. La production de nuages d’atomes de positronium dans le vide est une condition nécessaire pour réaliser de nouveaux types d’expériences en physique fondamentale sur la gravité et l’antimatière, mais offre aussi un intérêt certain comme sonde des matériaux poreux à l’échelle nanométrique. Une collaboration originale regroupant entre autres des physiciens de l’Irfu et de l’Iramis du CEA-Saclay a réussi à produire ce positronium à un taux record dans des conditions stables et contrôlées 1). Il s’agit d’une étape importante pour le programme visant à tester la gravitation de l’antimatière.
L’expérience BaBar qui se déroule auprès de l’accélérateur PEP-II au SLAC (Californie) prend des données depuis dix ans et a accumulé une telle quantité d’événements qu’elle permet de sonder les aspects les plus subtils à mettre en évidence du modèle standard de la physique des particules et de la théorie quantique des champs. En analysant au fil du temps les systèmes particule-antiparticule de mésons B produits en abondance, une équipe de chercheurs à laquelle participe l’Irfu/SPP a pu ainsi montrer que puisque l’Univers ne présentait pas de direction privilégiée, l’invariance de Lorentz, pierre de touche de la physique moderne, était bien respectée. Cette analyse originale se rapproche conceptuellement de la fameuse expérience de Michelson et Morley qui a démontré l’invariance de la vitesse de la lumière.
Le proton, un des éléments de base des noyaux atomiques, est constitué de quarks et de gluons. Mais peut-on photographier les gluons à l’intérieur du proton ? C’est-à-dire mettre au point une méthode qui donne accès à la répartition spatiale de ces composants dans le proton, donc à une échelle plus petite que le femtomètre (ou fermi, 10-15 m). Une première étape vient d’être franchie par l’expérience H1.
La partie haute énergie de l’accélérateur linéaire de SPIRAL2 (nouvel accélérateur pour 2012 du GANIL1) comprend deux familles de cavités supraconductrices. Le service des Accélérateurs, de Cryogénie et de Magnétisme de l’Irfu est en charge de la série de douze cryomodules2 du premier type qui sera installée juste en sortie de l’injecteur.
Le 8 décembre 2008, les tests en puissance du cryomodule de qualification ont été effectués avec succès : la cavité a atteint un gradient accélérateur de 10.3 MV/m (Millions de Volts par mètre), bien supérieur à la valeur spécifiée de 6.5 MV/m.
La forme d’un noyau atomique est le reflet de la structure en couches des protons et des neutrons qui le composent. Dans le cas de couches complètement remplies, on a affaire à un noyau ‘magique’ qui est de forme sphérique. Cependant, la plupart des noyaux ont des couches partiellement remplies et préfèrent être déformés. Les formes les plus couramment rencontrées sont allongées (prolate) ou aplaties (oblate) et peuvent changer d’un noyau à l’autre. Dans certains noyaux une faible réorganisation des protons ou des neutrons suffit pour changer sa forme. Un même noyau est alors susceptible de prendre certaines formes associées à des états d’énergie différente. Lorsque ces états sont très proches en énergie (un millième de l’énergie de liaison du noyau), ils se mélangent. Selon les lois de la mécanique quantique, le noyau peut se trouver, à la fois, dans un état allongé et aplati. Ce phénomène de coexistence de formes a été mis en évidence dans les isotopes légers de krypton et de sélénium lors d’une série d’expériences d’une équipe du Service de physique nucléaire de l’Irfu.
En envoyant un proton de haute énergie sur un noyau, on produit quantité de fragments divers, c’est ce que les physiciens appellent la spallation. Cette réaction entre en jeu dans les sources de neutrons de spallation, qui ont de multiples applications potentielles (réacteurs nucléaires sous-critiques, caractérisation de nouveaux matériaux) ou pour la compréhension des effets des rayonnements cosmiques dans le domaine spatial. Les réactions de spallation permettent également d’exciter les noyaux (c.-à-d. augmenter le degré d’agitation des nucléons dans le noyau). Comment se passe ensuite la désexcitation conduisant à la production des différents fragments ? C’est à cette question que s’intéressent les physiciens du Service de physique nucléaire de l’Irfu au sein de la collaboration SPALADIN, auprès de l’accélérateur d’ions lourds GSI à Darmstadt, en Allemagne. Ils ont étudié l’évolution des modes de désexcitation de noyaux de fer, et les observations sont en accord avec un modèle dit séquentiel. Ces études permettront d’améliorer les modélisations utilisées pour les applications envisagées. Ces résultats viennent d’être publiés dans Physical Review Letters1 .
Dans la nuit du 30 mai 2008, les deux dernières lignes d’Antares ont été connectées et mises sous tension à 2500 m au fond de la Méditerranée, portant à douze le nombre de lignes de détection et marquant ainsi la fin de la construction du plus grand télescope sous-marin à neutrinos jamais réalisé.
Immergées quelques semaines plus tôt, ces lignes rejoignent celles qui, depuis 2006, permettent de traquer les neutrinos cosmiques, témoins des phénomènes les plus violents de l’Univers.
Cet événement récompense les efforts de la collaboration européenne1 Antares, et en particulier ceux du CEA-Irfu, acteur majeur par ses contributions.
Le positronium est un état lié entre un électron et son antiparticule, le positon. La production de nuages d’atomes de positronium dans le vide est une condition nécessaire pour réaliser de nouveaux types d’expériences en physique fondamentale sur la gravité et l’antimatière, mais offre aussi un intérêt certain comme sonde des matériaux poreux à l’échelle nanométrique. Une collaboration originale regroupant entre autres des physiciens de l’Irfu et de l’Iramis du CEA-Saclay a réussi à produire ce positronium à un taux record dans des conditions stables et contrôlées 1). Il s’agit d’une étape importante pour le programme visant à tester la gravitation de l’antimatière.
L’expérience BaBar qui se déroule auprès de l’accélérateur PEP-II au SLAC (Californie) prend des données depuis dix ans et a accumulé une telle quantité d’événements qu’elle permet de sonder les aspects les plus subtils à mettre en évidence du modèle standard de la physique des particules et de la théorie quantique des champs. En analysant au fil du temps les systèmes particule-antiparticule de mésons B produits en abondance, une équipe de chercheurs à laquelle participe l’Irfu/SPP a pu ainsi montrer que puisque l’Univers ne présentait pas de direction privilégiée, l’invariance de Lorentz, pierre de touche de la physique moderne, était bien respectée. Cette analyse originale se rapproche conceptuellement de la fameuse expérience de Michelson et Morley qui a démontré l’invariance de la vitesse de la lumière.
Le 14 novembre 2008, le solénoïde géant de CMS a produit avec succès son champ nominal de 4 T . Ce succès couronne les efforts de l'Irfu dans la conception et la réalisation du plus grand solénoïde supraconducteur du monde. Pendant cette période d’environ un mois, les équipes de CMS ont effectué une campagne de prise de données cosmiques ininterrompue avec le détecteur dans les conditions nominales, collectant ainsi 300 millions d'événements. Cette réussite a permis de mettre en valeur des compétences spécifiques à l’Irfu, notamment en matière de détection, de l’électronique à la reconstruction de traces en passant par les systèmes de contrôle.
Les détecteurs gazeux fondés sur le concept Micromegas, conçus à l’Irfu, prennent position depuis quelques années dans la détection de particules et de rayonnement pour la recherche en physique, et présentent un fort potentiel pour l’instrumentation nucléaire, biomédicale et industrielle. Les efforts récents de R&D ont abouti à de nouveaux procédés de fabrication qui améliorant la performance et le champ d’application de ces détecteurs. Cette seconde génération de Micromegas est déjà mis en place dans plusieurs expériences de physique internationales qui ont recueilli d’excellents résultats depuis l’automne 2008.
La puce électronique TimePix, associée à une chambre Micromegas a permis de donner des images tridimensionnelles numériques de traces de particules chargées, ouvrant ainsi la voie vers la réalisation de chambre à projection temporelles numériques (Digital Time Projection Chambers) auxquelles on pense pour équiper, par exemple, les détecteurs auprès du futur collisionneur linéaire international (ILC). L’innovation a consisté à ajouter à une puce plus classique des « horloges » autorisant la mesure du temps d’arrivée des signaux de détection.
Un prototype d’un nouveau type de détecteur de particules chargées vient d’être mis en œuvre avec succès par une équipe Irfu-Cern-Nikhef dans le cadre du projet européen Eudet.
Peu après le démarrage du LHC le 10 septembre 2008 à 9h30, les interactions des premiers paquets de protons avec des détecteurs de faisceaux ont permis aux détecteurs du LHC d’enregistrer leurs premiers événements. Le scénario préparé de longue date pour la distribution et le traitement des données a été mise en route dans la foulée avec la distribution des données vers le centre Tier0, puis vers les onze centres Tier1 et enfin vers les centres Tier2.
C’est ainsi que les premières données sont arrivées au centre de calcul de Lyon (Tier1 français) vers 18 h 30 pour être reconstruites et exportées vers les Tier2. Grif a reçu ses premières données à analyser vers 4 h 30 le 11 septembre 2008.
Il s’agit d’un nouveau détecteur gazeux massif basé sur une géométrie sphérique qui combine simplicité, robustesse et faible coût. Le détecteur allie un large volume de dérive et une amplification proportionnelle pour détecter les particules ionisantes ; une bille métallique placée au centre de la sphère et portée à une haute tension produit dans sa périphérie une avalanche dans le gaz.
La partie haute énergie de l’accélérateur linéaire de SPIRAL2 (nouvel accélérateur pour 2012 du GANIL1) comprend deux familles de cavités supraconductrices. Le service des Accélérateurs, de Cryogénie et de Magnétisme de l’Irfu est en charge de la série de douze cryomodules2 du premier type qui sera installée juste en sortie de l’injecteur.
Le 8 décembre 2008, les tests en puissance du cryomodule de qualification ont été effectués avec succès : la cavité a atteint un gradient accélérateur de 10.3 MV/m (Millions de Volts par mètre), bien supérieur à la valeur spécifiée de 6.5 MV/m.
Les cavités supraconductrices sont un élément clé des accélérateurs du futur. Un nouveau traitement thermique permettant d’améliorer les performances des cavités supraconductrices en niobium vient d’être mis au point à Saclay. Ce procédé marque une avancée technologique indéniable par rapport à l’ancienne méthode, également proposée par Saclay et largement utilisée depuis plusieurs années dans les autres laboratoires internationaux. Ce nouveau traitement, plus rapide et ne nécessitant pas le maintien sous ultravide de la cavité, est particulièrement adapté à la production en masse de cavités. Il sera donc utilisé dans la préparation des 808 cavités qui composeront l’accélérateur linéaire supraconducteur XFEL. Ce résultat a été présenté à un colloque international à Pékin et a fait l’objet de deux publications.
Les nouveaux projets d'accélérateurs linéaires à électrons tels que XFEL (X-ray Free Electron Laser) et ILC (International Linear Collider), sont basés sur l’utilisation de la technologie supraconductrice, économiquement plus avantageuse. Les cavités accélératrices sont réalisées en niobium, matériau supraconducteur en dessous de 9,2 K, et elles sont caractérisées par deux grandeurs physiques :
- le facteur de qualité Q0, proportionnel à l'inverse de la résistance de surface;
- le champ accélérateur Eacc (MV/m).
Pour des questions de coût de construction et de fonctionnement, il faut optimiser la valeur de ces deux grandeurs (Q0 > 1010, Eacc > 30 MV/m).
Le 14 novembre 2008, le solénoïde géant de CMS a produit avec succès son champ nominal de 4 T . Ce succès couronne les efforts de l'Irfu dans la conception et la réalisation du plus grand solénoïde supraconducteur du monde. Pendant cette période d’environ un mois, les équipes de CMS ont effectué une campagne de prise de données cosmiques ininterrompue avec le détecteur dans les conditions nominales, collectant ainsi 300 millions d'événements. Cette réussite a permis de mettre en valeur des compétences spécifiques à l’Irfu, notamment en matière de détection, de l’électronique à la reconstruction de traces en passant par les systèmes de contrôle.
