En tant qu'étudiant en master de physique et astronomie à la Vrije Universiteit Brussel (VUB), Yens a eu l'opportunité de passer une semaine au CERN. Il a même pu participer à une toute nouvelle expérience future.
L'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) est un centre de recherche créé après la Seconde Guerre mondiale sous la devise "La science pour la paix". Le CERN n'est pas un petit laboratoire, mais un gigantesque complexe dont le site principal est situé près de Genève, à la frontière franco-suisse.
Dans le roman filmé Le Mystère du Bernin Dan Brown décrit le CERN comme un paradis international pour les geeks, et c'est plutôt vrai. Les couloirs et les portes des bureaux sont bordés de dessins animés et de jeux de mots sur des sujets spécifiques, les scientifiques du CERN se promènent en chaussettes Pac-Man et les rues du site portent le nom de scientifiques bien connus. Si un nouveau film Star Wars sort, il se pourrait même que deux chercheurs s'attaquent au sabre laser. Même pour un étudiant en physique comme moi, c'est parfois un peu écrasant.
"À cette vitesse, vous faites le tour du monde environ sept fois et demie par seconde !"
Enfant, j'adorais manger des œufs en chocolat Kinder Surprise. Puis j'ai appris qu'il fallait casser l'œuf pour savoir ce qu'il y avait dedans. Cette envie de détruire est précisément la raison d'être de la pièce maîtresse du CERN :le Grand collisionneur de hadrons (LHC). Le LHC est une machine circulaire installée dans un tunnel souterrain de 27 km, capable d'accélérer des protons à 99,999999 % de la vitesse de la lumière. À cette vitesse, vous faites le tour du monde environ sept fois et demie par seconde ! Le LHC envoie des paquets de protons dans deux directions opposées puis les fait entrer en collision avec une énergie massive de treize téraélectronvolts. Cela équivaut à peu près à l'énergie de dix moustiques volants. (Personnellement, j'éviterais un essaim de dix moustiques. Non pas parce que leur énergie est si impressionnante, mais parce que les piqûres de moustiques sont extrêmement désagréables.) Quand je considère que la même quantité d'énergie est causée par la collision de particules mille milliards de fois plus petites que un mug, je suis très impressionné par la puissance du LHC !
Einstein nous a appris avec sa célèbre formule E=mc² qu'un peu de masse peut être converti en beaucoup d'énergie, et que beaucoup d'énergie peut aussi être convertie en petits morceaux de masse, ou particules. Ainsi, lorsque deux protons sont "fracassés" l'un contre l'autre avec l'énergie de dix moustiques volants, des centaines de nouvelles particules sont créées. Les physiciens des particules placent des détecteurs autour des points de collision du LHC qui mesurent la position, la vitesse et l'énergie de ces particules. Ils essaient ainsi de mieux comprendre quelles surprises l'univers a cachées à la plus petite échelle. Vous pouvez voir un tel détecteur sur la photo avec les fans combattants de Star Wars :le détecteur CMS sur lequel la VUB est très activement impliquée.
Mon smartphone de quatre ans n'est plus aussi rapide, a une batterie qui se vide rapidement et ne veut se recharger que lorsque le câble est à un certain angle. Il est temps que j'envisage un modèle plus récent. Le matériel s'use, et entre-temps de nouvelles technologies se développent :il n'en va pas autrement avec des machines comme le LHC et ses détecteurs. Lors de l'accélération et de la collision des protons, beaucoup de radiations sont libérées qui endommagent les instruments de mesure à long terme. Les pièces obsolètes doivent donc être remplacées par des équipements plus modernes. C'est pourquoi le LHC sera arrêté entre fin 2018 et début 2021 afin qu'une armée de physiciens et d'ingénieurs du monde entier puisse travailler ensemble pour mettre à niveau cette merveille.
Lors d'une telle mise à niveau, les scientifiques du CERN se demandent :« Pouvons-nous tirer davantage parti du LHC ? ». Cette valeur ajoutée peut se traduire par l'utilisation d'équipements plus ou plus précis ou, dans certains cas, par l'ajout d'un détecteur supplémentaire (plus petit). Un exemple d'un tel détecteur supplémentaire est milliQan, du nom du physicien américain Robert Millikan qui a reçu le prix Nobel en 1923 pour avoir déterminé la charge de l'électron.
MilliQan serait capable de détecter des particules avec une milli-charge. Une milli-charge ? Ce terme pourrait en effet utiliser une explication. Vous vous souvenez peut-être de votre cours de physique au lycée que les particules ont une charge électrique. Il peut être positif (proton), négatif (électron) ou nul (neutron) et est indiqué dans les formules par un 'Q' (d'où le 'Q' dans 'milliQan'). La charge d'un électron est aussi appelée charge élémentaire. Jusqu'à aujourd'hui, les physiciens ne pouvaient observer que des particules dont la charge était un « multiple entier » de celle de l'électron :une fois, deux, trois… et non des nombres décimaux. Cependant, il semble qu'il n'y ait aucune raison confirmée expérimentalement pour laquelle il ne pourrait pas y avoir de charges supplémentaires qui soient un multiple non entier de cette charge élémentaire. Par exemple, dans une humeur folle, il est préférable d'inventer des particules avec une charge qui a 0,5 fois, 2,6 fois ou même π fois la charge de l'électron. Plus encore :certains modèles mathématiques prédisent l'existence de particules ayant une charge d'environ un millième de la charge élémentaire, des particules dites « milli-chargées » (tout comme un millième de mètre s'appelle un millimètre).
Pour le moment, milliQan n'est qu'un prototype fonctionnel pour démontrer le principe et la sensibilité du détecteur. Et c'est précisément là que la recherche de ma thèse de maîtrise devient intéressante. Le matériau qui compose milliQan détecte non seulement les particules issues des collisions de protons dans le LHC, mais également les particules issues des rayons cosmiques, par exemple. Nous appelons cela arrière-plan. Il est donc important de savoir d'où vient cet arrière-plan et comment il se comporte. De cette façon, nous pouvons les distinguer de ces mystérieuses particules milli-chargées. Et c'est ce que j'ai recherché là-bas. J'ai travaillé là où se trouve le prototype (70 mètres sous terre, 30 mètres au-dessus du tunnel du LHC) pour effectuer des mesures de fond. Une fois de retour à Bruxelles, j'analyserai ces mesures et partagerai mes résultats avec l'équipe milliQan. Ils peuvent utiliser les résultats de ma thèse de maîtrise pour faire des prédictions sur le potentiel du milliQan.
Sur la base des premiers résultats, il semble que l'expérience milliQan finale sera capable de détecter des particules avec une milli-charge. En tout cas, cela m'a réchauffé à la recherche. Maintenant que j'ai pu collaborer avec certains membres de l'équipe milliQan du CERN et retrousser mes manches avec le prototype du nouveau détecteur, je suis convaincu que cette expérience pourra détecter les particules millichargées si elles existent. Pour paraphraser l'ancien président américain Barack Obama :
Oui, nous milliQan !
Les recherches de Yens Elskens sont menées au sein du groupe de recherche "Particules élémentaires" du Département de Physique de la VUB sous la direction du promoteur Prof. Steven Lowette, membre de l'expérience milliQan depuis mars 2019.
