Physique des particules : la collaboration LHCb prépare son futur

Près de Genève, à 100 m de profondeur, à cheval sur la frontière franco-suisse, se trouve le LHC, le plus grand accélérateur de particule au monde. Des protons (constituants des noyaux des atomes) y sont accélérés dans un anneau de 27 km de circonférence. Ils circulent dans les deux sens et s’entrechoquent à 4 endroits, où se trouvent de gigantesques expériences : ATLAS, CMS, ALICE et LHCb. 

Matière/antimatière, interaction forte et plasma de quarks et gluons

L’énergie relâchée lors des collisions donne naissance à une multitude d’autres particules, dont les détecteurs traquent les caractéristiques afin de tester, ou de trouver des failles, dans les théories de physique des particules. Le « b » de LHCb désigne des particules élémentaires, les quarks b (pour beauté ou bottom selon les appellations) que l’expérience scrute particulièrement.

Quand LHCb a été conçu, un des objectifs était d’étudier l’asymétrie entre matière et antimatière, c’est-à-dire pourquoi il y a plus de matière que d’antimatière dans l’Univers « Mais le programme de recherche va désormais bien au-delà de cela explique Emilie Maurice, professeure à l’École polytechnique et chercheuse au LLR. Il étudie notamment les quarks c, un autre type de quark, afin de comprendre comment les quarks s’assemblent ».  LHCb vient d’ailleurs d’annoncer la découverte d’une nouvelle particule composée de deux quarks c et un quark d, sorte de cousine du proton.

Le LLR a également été à l’initiative d’un nouveau programme de recherche à LHCb, baptisé SMOG, qui permet d’étudier aussi des collisions entre le faisceau du LHC constitué de protons ou d'ions de plomb, et un gaz (hydrogène, hélium, xénon, etc.) injecté dans le tube à vide de l'accélérateur. « Le but est de comprendre l’interaction forte, une des quatre interactions fondamentales, et d’étudier le plasma de quarks et de gluons, que l’on pense être l’état de la matière telle qu’elle était lors de la toute première microseconde après le big bang » poursuit Emilie Maurice.

De nouvelles technologies pour de nouveaux détecteurs

LHCb, qui a démarré en 2009, a déjà connu une première amélioration de ses détecteurs. Dans cette recherche de pointe, la technologie des instruments se révèlent primordiale. Il s’agit notamment d’être capable d’enregistrer toujours plus de collisions par seconde (que les scientifiques décrivent par un facteur appelé luminosité instantanée). « La première amélioration visait à collecter des données avec une luminosité instantanée 5 fois plus élevée. LHCb se prépare maintenant à la prochaine phase, jusqu’à 40 fois plus de collisions » détaille Elisabeth Niel, chercheuse au LLR.

C’est pour discuter de cette seconde phase d’amélioration que plus de 150 membres de la collaboration internationale (Angleterre, Italie, Allemagne, Etats-Unis, Chine, etc.) se sont regroupés lors d’un workshop organisé à l’École polytechnique.

« L’expérience est constituée de nombreux sous-détecteurs qui ont des rôles précis : mesure du point d’interaction des particules, suivi des trajectoires (trajectographie), mesure de l’énergie et de l’identification des particules …souligne Elisabeth Niel. Les scientifiques ont donc discuté des technologies qui seront mises en œuvre. « Au LLR, nous participons en particulier à la caractérisation des technologies pour la trajectographie. Actuellement, il s’agit de fibres scintillantes et de détecteurs siliciums à bandes, et cela évoluera vers des détecteurs en silicium pixellisé (technologie MAPS). Cela permettra d’améliorer la résolution spatiale et de réussir à reconstruire correctement les traces produites lors des collisions à haute luminosité ».

Les évolutions des expériences d’une telle envergure sont un processus au long cours. Le nouveau détecteur LHCb devrait être fonctionnel en 2035, mais la conception et la construction commencent dès maintenant. 

*LLR : une unité mixte de recherche CNRS, École polytechnique, Institut Polytechnique de Paris, 91120 Palaiseau, France