Un fantôme invisible révélé dans l’accélérateur de particules le plus célèbre du monde

Une force invisible enfin démasquée

Pendant des décennies, une présence invisible a hanté les couloirs du CERN, l’organisation européenne pour la recherche nucléaire située en Suisse. Cette entité fantomatique n’a rien de surnaturel, mais elle perturbe bel et bien le comportement des particules au sein du Super Proton Synchrotron. Jusqu’à présent, elle avait échappé à toute détection précise.

Dans une étude publiée dans la revue Nature Physics, des scientifiques du CERN en Suisse et de l’Université Goethe de Francfort en Allemagne ont annoncé qu’ils avaient réussi à isoler ce « fantôme » résonant qui affecte la manière dont les particules se comportent à l’intérieur du Super Proton Synchrotron, appelé SPS. Il s’agit d’une forme tridimensionnelle qui se transforme au fil du temps, ce qui signifie qu’elle se mesure idéalement en quatre dimensions.

Le secret de ce phénomène repose sur la même raison pour laquelle vous renversez votre café en retournant à votre bureau, ou pour laquelle vous faites super-rebondir vos amis sur le trampoline. La résonance, ce principe physique universel, se cache au cœur de cette découverte majeure.

Le Super Proton Synchrotron, vétéran indispensable du CERN

Le SPS est un anneau qui mesure près de quatre miles de diamètre, soit environ six kilomètres et demi. Sa construction remonte aux années 1970. Cela peut sembler appartenir à l’histoire ancienne dans le monde de la physique des particules, mais le SPS est resté un outil absolument vital au CERN. En 2019, il a bénéficié d’une mise à niveau importante avec l’installation d’un « beam dump » amélioré, un système comparable à une voie d’évitement pour camions en fuite, mais destiné aux faisceaux à haute puissance circulant à l’intérieur du SPS.

Lorsque les chercheurs à l’origine de cette étude publiée en 2024 ont remarqué ce fantôme dans la machine, pour ainsi dire, ils ont immédiatement compris qu’il était crucial de cartographier et de comprendre ce phénomène pour les travaux futurs. L’enjeu dépasse largement la simple curiosité scientifique.

Ce fantôme trouve son origine dans la résonance. Quand des objets possèdent de l’énergie et produisent des ondes, ces ondes peuvent interagir entre elles et créer d’étranges petits foyers où l’énergie est amplifiée. Lorsque vous marchez avec une tasse de café, chaque pas génère des vagues dans le liquide qui finissent par se rencontrer et déborder. Sur un trampoline, une personne saute « dans » le saut d’une autre personne et se trouve propulsée dans un bond beaucoup plus haut grâce à la résonance. Dans le SPS, renverser votre café harmonique signifie perdre des photons essentiels dans ce qu’on appelle la dégradation du faisceau.

Quand la résonance devient un ennemi invisible

Les scientifiques expliquent dans leur article : « En physique des accélérateurs, une compréhension des résonances et de la dynamique non linéaire est cruciale pour éviter la perte de particules du faisceau. » La complexité de ce problème augmente à mesure que la question en jeu gagne davantage de parties mobiles et davantage de « degrés de liberté ». Chaque partie mobile, y compris les connecteurs, génère ses propres vibrations.

La dégradation du faisceau représente un problème majeur, particulièrement alors que les faisceaux de protons en question deviennent de plus en plus énergisés et robustes. Les harmoniques dans les systèmes complexes affectent toute expérience où des particules interagissent à l’intérieur d’un récipient, comme la recherche sur la fusion nucléaire dans les tokamaks. L’interférence harmonique constitue donc également un obstacle énorme dans la tentative d’atteindre une fusion nucléaire productive, créant des zones mortes où le flux d’énergie peut perdre une énergie thermique vitale.

À l’intérieur du SPS, les particules ne disposent que de deux degrés de liberté, ce qui ne semble pas si complexe au premier abord. Comme les photons à l’intérieur d’une fibre optique, ces photons du SPS voyagent selon une trajectoire générale. Mais ils peuvent aussi « rebondir » à l’intérieur de cette trajectoire, car même un faisceau ou un câble étroit possède une épaisseur. Le SPS n’est pas un beignet épais, mais c’est tout de même un beignet réel, plutôt qu’un cercle dans une illustration de manuel de géométrie.

Les imperfections humaines créent le fantôme

Ce « rebond » se trouve déformé en raison des facteurs humains et de la réalité physique. Le SPS a beau être l’une des installations les plus prestigieuses au monde, tout en science doit être construit avec ce dont nous disposons. Les aimants qui alimentent ces installations sont imparfaits, et même de minuscules fluctuations du magnétisme peuvent provoquer de la résonance.

Pour quantifier ce phénomène, les chercheurs ont effectué des mesures tout autour de l’anneau du SPS et ont utilisé les données recueillies pour construire un modèle mathématique appelé section de Poincaré. Dans une section de Poincaré, vous stabilisez un élément (dans ce cas, une « ligne fixe » que les chercheurs mentionnent dans leur article) et vous parcourez un système pas à pas, en cartographiant toutes les intersections des autres éléments, jusqu’à former une « surface » entière.

Les résultats ressemblent à une IRM, mais pour un système dynamique, dont la forme peut changer à chaque étape et, dans ce cas précis, avec l’ajout du temps comme quatrième dimension. Puisque la résonance dans un système fermé comme le SPS finit par se répéter, l’étude de surface en 4D peut boucler comme un GIF bien conçu.

Des lignes fixes qui prédisent l’avenir des particules

Dans leurs calculs mathématiques, l’équipe a découvert que les lignes fixes pouvaient prédire où les particules allaient s’accumuler. En prenant le temps d’étudier et de modéliser le phénomène, ils espèrent aider les chercheurs qui développent des stratégies pour atténuer l’effet de ces lignes harmoniques fixes.

Ces travaux pourraient également aider ceux qui construisent de nouveaux accélérateurs de particules à éviter de créer des « fantômes » magnétiques dès la conception. Cela permettrait d’économiser beaucoup d’argent en maintenant les faisceaux et les données plus intacts, tout en fournissant des résultats de meilleure qualité avec moins d’efforts.

La cartographie de ce fantôme invisible ouvre la voie à une nouvelle génération d’accélérateurs plus efficaces. En comprenant comment la résonance affecte les particules dans un espace confiné, les physiciens disposent désormais d’un outil pour anticiper et neutraliser ces effets perturbateurs. L’invisible est devenu visible grâce aux mathématiques, transformant un ennemi insaisissable en un problème résolu.

Selon la source : popularmechanics.com