The detector system of the SHiP/NA67 experiment at CERN

Dans le vaste paysage de la physique moderne, les scientifiques savent depuis longtemps que le modèle standard de la physique des particules, bien qu'incroyablement fructueux, est incomplet. Il ne peut expliquer pourquoi l'univers est composé de matière plutôt que d'antimatière, et il ne rend pas compte de la substance invisible connue sous le nom de matière noire. Pendant des décennies, la stratégie principale pour trouver une nouvelle physique a été de construire des machines qui font s'entrechoquer des particules à des énergies de plus en plus élevées, dans l'espoir de créer des particules lourdes et inconnues. Cependant, il existe une autre possibilité qui est restée insaisissable : des particules qui sont légères mais qui interagissent si faiblement avec la matière ordinaire qu'elles se glissent directement à travers nos détecteurs. On les appelle des particules à interaction faible. Parce qu'elles sont si difficiles à capturer, leur découverte nécessite une approche différente. Au lieu de chercher des collisions de haute énergie rares, les scientifiques doivent générer un nombre énorme de particules et attendre que les plus rares se désintègrent en quelque chose de visible. Ce passage de la recherche du lourd à la traque du ténu est le cœur de la frontière d'intensité, une nouvelle direction de la physique qui repose sur le volume et la précision plutôt que sur la force brute.

Au centre de recherche du CERN en Suisse, une équipe de physiciens se prépare à mener cette charge avec une expérience appelée SHiP, également connue sous le nom de NA67. L'objectif est de construire une installation spécialisée capable de produire un flux massif de protons et de les utiliser pour créer un secteur caché de particules qui pourraient expliquer les mystères les plus profonds de l'univers. L'équipe a récemment détaillé la conception du système de détection qui rendra cette recherche possible. Ce système n'est pas une machine unique, mais un assemblage complexe de différents instruments, chacun conçu pour résoudre un problème spécifique : comment créer un environnement propre où un signal ténu peut être vu sur un fond de bruit écrasant. L'expérience doit commencer ses premières campagnes de physique en 2032, et la conception présentée dans l'article représente l'aboutissement d'années de planification pour garantir que, lorsque le faisceau sera activé, les détecteurs soient prêts à capturer les premiers signes d'une nouvelle physique.

L'expérience commence par un faisceau de protons voyageant à grande vitesse, qui est projeté dans une cible faite de tungstène pur. Cette cible est conçue pour être aussi efficace que possible, créant une gerbe de nouvelles particules lorsque les protons la frappent. Pour gérer la chaleur intense générée par ce processus, la cible est refroidie par un gaz hélium à haute pression circulant à travers des fentes dans les blocs métalliques. Immédiatement derrière la cible se trouve un puissant blindage magnétique, une chaîne d'aimants qui agit comme un filtre géant. Son rôle est d'évacuer la grande majorité des muons, des cousins lourds de l'électron, qui sont produits lors de la collision. Sans ce blindage, ces muons inonderaient le reste de l'expérience, créant un bruit de fond si fort que tout nouveau signal serait étouffé. Le blindage réduit le nombre de muons d'un facteur d'un million, laissant un chemin beaucoup plus calme pour les particules qui intéressent réellement les scientifiques.

Une fois les muons filtrés, les particules restantes entrent dans un long tunnel vide rempli de gaz hélium. C'est le volume de désintégration, un espace de cinquante mètres de long où les particules à interaction faible, si elles existent, sont censées voyager et finalement se désintégrer en matière ordinaire qui peut être détectée. Parce que les particules interagissent si faiblement, elles peuvent parcourir toute cette distance sans rien heurter. L'hélium à l'intérieur est maintenu dans un ballon en polymère mince pour minimiser toute chance que les particules ne heurtent des atomes de gaz avant de se désintégrer. Entourant tout ce tunnel se trouve un mur sophistiqué de capteurs connu sous le nom de marqueur de fond (background tagger). Ce mur est rempli d'un liquide spécial qui brille lorsqu'une particule chargée le traverse. Son but est de capturer toute particule égarée qui pourrait s'infiltrer par les côtés ou interagir avec les parois du tunnel lui-même. Si un signal apparaît au centre du tunnel exactement au même moment qu'une particule frappe la paroi, le système sait qu'il s'agit simplement d'un bruit de fond et l'ignore. Ce système est si précis qu'il peut distinguer un événement réel d'un événement faux avec une précision temporelle d'un milliardième de seconde.

À l'extrémité du tunnel, l'expérience recherche les débris de toute désintégration survenue à l'intérieur. C'est là qu'intervient le spectromètre du secteur caché. Il s'agit d'un grand système de traçage composé de milliers de tubes fins, semblables à des pailles, remplis de gaz. À mesure que les particules chargées traversent ces pailles, elles laissent une trace de signaux électriques qui permettent aux scientifiques de reconstruire la trajectoire de la particule avec une extrême précision. Un aimant puissant courbe ces trajectoires, ce qui aide les scientifiques à déterminer la quantité de mouvement et l'identité des particules. Le traqueur est suivi d'un détecteur de temps composé de barres scintillantes, qui agit comme un chronomètre pour s'assurer que les particules observées proviennent réellement du volume de désintégration et non d'une autre source. Enfin, les particules entrent dans un calorimètre, un dispositif qui mesure leur énergie et identifie le type de particule. Cette section finale est cruciale pour distinguer les différents types de désintégrations, telles que celles qui produisent des particules légères par rapport à celles qui produisent des particules plus lourdes.

L'ensemble du système est conçu pour fonctionner sans déclencheur (trigger) traditionnel, ce qui signifie qu'il enregistre les données en continu plutôt que d'attendre un signal spécifique pour commencer l'enregistrement. Cela est nécessaire car l'expérience dure de longues périodes et les événements d'intérêt sont si rares qu'un déclencheur standard pourrait les manquer. Au lieu de cela, le système horodate chaque fragment de donnée, permettant aux scientifiques de reconstruire les événements plus tard en examinant les fenêtres temporelles où des motifs intéressants apparaissent. La conception comprend également un détecteur séparé à l'intérieur du blindage de muons pour étudier les neutrinos, un type de particule notoirement difficile à détecter. Cette partie de l'expérience vise à observer des milliers d'interactions de neutrinos, fournissant une mine de données sur la façon dont ces particules se comportent.

L'article souligne que la conception de la cible et du blindage de muons est essentiellement achevée, des prototypes ayant été testés pour s'assurer qu'ils peuvent résister aux conditions rudes du faisceau. Les marqueurs de fond et le spectromètre sont actuellement en phase de prototypage, avec des tests en cours pour confirmer leurs performances. L'équipe est confiante qu'au moment où l'installation sera mise en service en 2033, les détecteurs seront prêts à rechercher ces particules évasives avec une sensibilité de premier plan. Si les particules à interaction faible existent dans la plage de masses et de couplages que l'expérience est conçue pour sonder, le détecteur SHiP devrait être capable de les trouver. Si elles n'existent pas, l'expérience établira les limites les plus strictes à ce jour sur leur existence, écartant ainsi une grande partie des possibilités théoriques pour une nouvelle physique. Ce travail représente un équilibre minutieux entre l'ingénierie et la physique, créant une machine assez silencieuse pour entendre le plus faible murmure des secrets cachés de l'univers.