au CERN, des scientifiques identifient la structure invisible qui perturbe leurs recherches

Le deuxième plus grand accélérateur de particules au monde pourrait-il être hanté ? Depuis plus de vingt ans, les scientifiques tentent de comprendre la structure invisible qui perturbe la trajectoire des particules au sein d’un accélérateur de particules. Cette sorte de « fantôme », comme le décrit Science Alert, vient d’être identifiée et quantifiée pour la première fois par l’Observatoire européen de recherche nucléaire (Cern).

Si le phénomène est bien connu des chercheurs, l’existence de résonances – qui poussent certaines particules à dévier de leur trajectoire – restait jusqu’à présent théorique. Mais des scientifiques du CERN ont publié dans Nature Physics une étude montrant pour la première fois le spectre d’une résonance magnétique. Jusqu’à présent, elle n’avait été que simulée ou théorisée.

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Pour ce faire, le Cern a collaboré avec le centre de recherche sur les ions lourds (GSI) de Darmstadt, en Allemagne. Une collaboration logique puisqu’en 2002 les deux entités avaient identifié des pertes de particules au sein des accélérateurs lorsque la vitesse était trop élevée au sein de la structure. Limitant ainsi les performances réalisables avec ces installations.

Sortir de la pensée habituelle à un seul plan

“Avec ces résonances, les particules ne suivent pas exactement la trajectoire souhaitée, continuent leur chemin dans la mauvaise direction et se perdent”explique Giuliano Franchetti, physicien au GSI. “Cela provoque une dégradation du faisceau et rend difficile l’obtention des paramètres de faisceau requis.”

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Un faisceau est un ensemble de particules se déplaçant dans la même direction. Dans un accélérateur de particules, les faisceaux sont courbés à l’aide d’électro-aimants pour former un cercle, permettant d’observer leur comportement. Le Cern a réalisé son expérience au Supersynchroton à protons, le deuxième plus grand accélérateur de particules du Cern, après le Grand collisionneur de hadrons (LHC).

Mais pour parvenir à leur découverte, les chercheurs du Cern et du GSI ont dû changer leur façon de penser. Parce que les résonances ont un impact sur le mouvement des particules sur un plan à quatre dimensions. Il a donc fallu mesurer le faisceau étudié à la fois sur le plan vertical et horizontal pour réussir à l’identifier. D’où la difficulté pour les scientifiques.

“En physique des accélérateurs, nous ne pensons souvent qu’à un seul plan”reconnaît Giuliano Franchetti.

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Des détecteurs de position ont été fixés dans tout l’accélérateur de particules. Plus de 3 000 passages de faisceaux ont ensuite été réalisés au sein du Supersynchroton à Protons. Il a ainsi été possible de reconstruire la structure d’une résonance.

Une théorie en cours de développement pour décrire le comportement des particules

« Ce qui rend notre dernière découverte si importante, c’est qu’elle montre comment les particules se comportent sous l’effet d’une résonance couplée »assure Hannes Bartosik, scientifique au Cern. « Nous pouvons démontrer que les résultats expérimentaux concordent avec les prédictions basées sur la théorie et la simulation. »

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Maintenant que la structure d’une résonance a été identifiée, les chercheurs souhaitent désormais réduire son impact sur les faisceaux. Cela permettrait d’augmenter les performances des accélérateurs de particules afin d’aller encore plus loin dans la recherche.

« Nous sommes en train d’élaborer une théorie décrivant comment les particules se comportent sous l’effet de ces résonances. Nous espérons pouvoir tirer de cette étude, en ajoutant à toutes les précédentes, des éléments pour éviter ou limiter les effets de ces résonances dans les accélérateurs actuels ou futurs. »conclut Giuliano Franchetti.