Physique des hautes énergies : Israël au CERN

Aujourd’­hui elle com­prend les lep­tons (l’élec­tron ordi­naire et ses frères plus lourds et instables les lep­tons mu et tau, leurs com­pa­gnons neu­tri­nos non char­gés, et leurs anti­par­ti­cules), les quarks au nombre de six dont deux forment l’es­sen­tiel de la matière de notre monde, et les vec­teurs por­teurs d’in­te­rac­tions, le pho­ton pour la force élec­tro­ma­gné­tique, les bosons Z et W pour la force faible (de fait insé­pa­rable de la force élec­tro­ma­gné­tique, mais sim­pli­fions…), les gluons pour la force forte dont les forces nucléaires sont un rési­du tout comme celles de Van der Waals pour les forces ato­miques et molé­cu­laires (élec­triques).

Une théo­rie main­te­nant bien éta­blie décrit très bien tout cet uni­vers, le « Modèle Stan­dard », à laquelle il reste tou­te­fois à expli­quer ce qu’est la masse et quelle est son ori­gine ; la for­mu­la­tion de Higgs répon­drait à cette ques­tion si une par­ti­cule, insai­sis­sable à ce jour, pou­vait être mise en évi­dence. Et non moins fon­da­men­ta­le­ment, il fau­dra bien savoir si la masse des neu­tri­nos est mathé­ma­ti­que­ment nulle ou seule­ment si petite qu’elle en est indétectable.

Les moyens de plus en plus chers et com­plexes néces­saires à cette recherche l’ont depuis long­temps ren­due inter­na­tio­nale. Un cer­tain nombre de grands centres existent de par le monde. Le CERN de Genève est sans contes­ta­tion le pre­mier de ces centres, tant par la moder­ni­té des moyens qu’il met à la dis­po­si­tion des cher­cheurs que par l’ex­cel­lence des résul­tats dont il est la source.

Des Israé­liens tra­vaillent au CERN presque depuis sa créa­tion dans les années 50. Long­temps asso­ciés à titre indi­vi­duel ou par petits groupes indé­pen­dants à des labo­ra­toires euro­péens, ces cher­cheurs jouissent depuis 1992 d’un sta­tut natio­nal offi­ciel. Le CERN est une asso­cia­tion de pays membres, comp­tant pra­ti­que­ment toute l’Eu­rope, avec en plus quelques obser­va­teurs dont la par­ti­ci­pa­tion au bud­get du CERN est plus modeste et dont la pré­sence au Conseil n’est pas assor­tie d’un droit de vote. Israël a été le pre­mier pays non euro­péen à jouir de ce sta­tut, ouvrant lit­té­ra­le­ment la voie au Japon, à la Fédé­ra­tion russe et aux USA.

C’est l’his­toire, les réa­li­sa­tions et les consé­quences de cette asso­cia­tion qui vont être pré­sen­tées ici. Il ne s’a­git ici que d’ac­ti­vi­tés à carac­tère expé­ri­men­tal. La contri­bu­tion dans ce domaine des théo­ri­ciens israé­liens est bien connue, et comme tout tra­vail théo­rique elle n’est pas liée à l’exis­tence ni à l’u­ti­li­sa­tion de tel ou tel labo­ra­toire expé­ri­men­tal, et n’a pas d’im­pact indus­triel. C’est pour­quoi elle n’est pas abor­dée ici.

La préhistoire

Dès les années 50 un petit groupe de phy­si­ciens de l’Ins­ti­tut Weiz­mann (Reho­voth) est actif dans l’é­tude du rayon­ne­ment cos­mique, et, très rapi­de­ment, se consti­tue un centre d’a­na­lyse fon­dé sur l’ex­ploi­ta­tion de cli­chés de chambres à bulles, le roi des détec­teurs de l’é­poque, four­nis au départ par des centres amé­ri­cains puis bien vite éga­le­ment par le CERN. Un second groupe plus modeste est créé à l’U­ni­ver­si­té de Tel-Aviv, et un troi­sième encore plus petit au Tech­nion (Haï­fa) dans la seconde moi­tié des années soixante. Ces trois groupes col­la­borent entre eux et avec diverses équipes inter­na­tio­nales. La rai­son de la mul­ti­pli­ca­tion des groupes est très simple : les Ins­ti­tuts israé­liens sont indé­pen­dants, presque tous anté­rieurs à la renais­sance de l’É­tat, et recrutent leurs per­son­nels uni­ver­si­taires d’a­bord en fonc­tion de leurs besoins d’enseignants.

Très judi­cieu­se­ment, les groupes de l’Ins­ti­tut Weiz­mann et de Tel-Aviv sentent le vent de la révo­lu­tion des grandes décou­vertes de 1974 (le lep­ton tau, le quark « c » vite sui­vi du quark « b ») et se recon­ver­tissent aux tech­niques plus modernes de détec­tion élec­tro­nique, les seules qui per­mettent l’é­tude des phé­no­mènes rares de la nou­velle phy­sique en train de naître, auprès du centre DESY de Ham­bourg. Le groupe du Tech­nion ne les rejoin­dra qu’en 1982, pour une pre­mière par­ti­ci­pa­tion « natio­nale » à une expé­rience, OPAL, au LEP, le gigan­tesque col­li­sion­neur élec­tron-posi­tron de 27 km du CERN, mis en ser­vice en 1989.

Les chambres multifilaires ultrafines d’OPAL

Le virage natio­nal est dû à l’en­thou­siasme, à la foi et à l’a­char­ne­ment d’un jeune phy­si­cien de l’Ins­ti­tut Weiz­mann, Gio­ra Miken­berg, seul nom cité ici afin de mar­quer com­bien c’est d’a­bord à lui qu’Is­raël doit d’être aujourd’­hui au CERN. Miken­berg a vu à l’œuvre à DESY les chambres mul­ti­fi­laires inven­tées par Georges Char­pak. Seul contre tous, Miken­berg est convain­cu qu’il est pos­sible de réa­li­ser de telles chambres de moins de un cen­ti­mètre d’é­pais­seur dans un maté­riau très léger. Elles vont per­mettre une mesure pré­cise de la posi­tion et de l’éner­gie des par­ti­cules char­gées sans per­tur­ber les autres mesures, dans un volume non cou­vert par d’autres détec­teurs de l’ex­pé­rience OPAL, l’une des quatre expé­riences du LEP.

Le CERN a exi­gé que celle-ci n’emploie que des tech­niques éprou­vées afin qu’elle soit par­fai­te­ment prête sans période de mise au point au démar­rage de l’ac­cé­lé­ra­teur, le 14 juillet 1989. Les chambres de Miken­berg, entiè­re­ment conçues et construites en Israël par les trois groupes tra­vaillant main dans la main, seront la seule excep­tion, la seule tech­nique nou­velle dans OPAL en matière de détec­teurs, et, prêtes à temps, fonc­tion­ne­ront par­fai­te­ment, jus­qu’à ce jour.

Une chambre mul­ti­fi­laire est en quelque sorte un comp­teur Gei­ger à fils mul­tiples. Une boîte contient un gaz facile à ioni­ser (gaz car­bo­nique et pentane pour les chambres israé­liennes) ; le fond et le cou­vercle sont conduc­teurs, et en tra­vers de la chambre sont ten­dus des fils très fins por­tés à une forte ten­sion électrique.

Sou­vent, le plan conduc­teur (fond comme cou­vercle) est dédou­blé en une couche mince de gra­phite modé­ré­ment conduc­trice au contact du gaz, char­geant par influence une couche de cuivre divi­sée en bandes (strips) dont la lec­ture reflète la charge induite qui per­met­tra de loca­li­ser avec pré­ci­sion la par­ti­cule qui aura ioni­sé le gaz.

Pour l’ex­pé­rience OPAL Israël a construit un « calo­ri­mètre », appa­reil à mesu­rer l’éner­gie, un gros sand­wich de tranches d’a­cier où les par­ti­cules perdent de leur éner­gie sépa­rées par des chambres à fils qui échan­tillonnent cette perte d’éner­gie. Pour ce faire les chambres devaient être très fines. Elles ont été réa­li­sées par col­lage d’élé­ments cou­pés et décou­pés dans des plaques de fibres de verre, d’en­vi­ron 1,5 mm d’é­pais­seur, nor­ma­le­ment uti­li­sées pour la fabri­ca­tion des cir­cuits élec­tro­niques. Le plan de fils est mon­té entre deux cadres de la même épais­seur, avec un fil tous les 2 mm, à 1,5 mm des plaques cathodes, sous 3 300 volts. Construites en atmo­sphère dépous­sié­rée, elles deman­dèrent la construc­tion spé­ciale de presses à col­ler de grandes dimen­sions, d’une machine à bobi­ner le fil haute ten­sion de 50 microns (tungs­tène pla­qué or) et d’une machine à sou­der ces fils qu’un fer à sou­der habi­tuel casse immé­dia­te­ment, ensemble de tech­no­lo­gies qui n’é­taient évi­dem­ment pas dis­po­nibles. Une élec­tro­nique hau­te­ment fiable, très minia­tu­ri­sée et très rapide a aus­si été construite en série, pour la lec­ture des mil­liers de signaux pro­duits au long des deux calo­ri­mètres symé­triques inclus dans OPAL, un détec­teur rem­plis­sant en gros un cube de 12 mètres d’arête.

Un des deux calo­ri­mètres est visible en coupe, le bou­chon cylin­drique obtu­rant le cylindre inté­rieur, vers lequel pointe la flèche cen­trale des calo­ri­mètres hadro­niques ; on en dis­tingue les plaques d’a­cier pas­sives ver­ti­cales entre les­quelles sont logées des chambres de moins de 1 cm d’épaisseur.

L’association officielle au CERN

Consé­quence de cette réus­site, le CERN pro­po­se­ra au gou­ver­ne­ment israé­lien, en 1991, de recon­naître le tra­vail de ses cher­cheurs et la place conquise au CERN, en leur don­nant un sta­tut offi­ciel, dans le cadre de l’as­so­cia­tion d’Is­raël comme État obser­va­teur, au moins dans un pre­mier temps.

À la suite de la signa­ture d’un tel accord, Israël par­ti­cipe au bud­get du CERN (à un taux infé­rieur à celui des États membres), de fait sur­tout sous la forme d’un cré­dit mis à la dis­po­si­tion du CERN pour des four­ni­tures de tech­no­lo­gies de pointe pro­duites en Israël, au départ pour 500 000 francs suisses par an, presque dou­blés depuis le renou­vel­le­ment de cet accord. Bien que le CERN ait envi­sa­gé qu’Is­raël devienne membre à part entière, la fac­ture est encore bien lourde pour un État où les pro­blèmes ne manquent pas, les phy­si­ciens israé­liens sont satis­faits de la situa­tion actuelle, et les enve­loppes bud­gé­taires de biens que le CERN cherche ain­si à acqué­rir en Israël conviennent bien à la taille des entre­prises israé­liennes. Israël a ain­si four­ni au CERN une liste impres­sion­nante de pro­duits de tech­no­lo­gies de pointe, équi­pe­ments élec­tro­niques assu­rant le contrôle du sys­tème d’ac­cé­lé­ra­tion du LEP, équi­pe­ments cryo­gé­niques, struc­tures en magné­sium des­ti­nées à la construc­tion du nou­vel accé­lé­ra­teur LHC, logi­ciel de ges­tion de la biblio­thèque, câbles optiques à haut débit, etc.

Visi­tant le CERN voi­ci quatre ans, le direc­teur géné­ral de notre minis­tère de l’In­dus­trie fai­sait valoir que, même si le CERN n’a­che­tait rien en Israël (alors qu’il y dépense plus que le cré­dit dont il y dis­pose), l’ac­cord n’en serait pas moins payant pour Israël, car les appels d’offres du CERN confrontent notre indus­trie, nos jeunes ingé­nieurs, à des cahiers des charges excep­tion­nels qui les font rapi­de­ment et for­te­ment progresser.

Israël au LHC

La recherche du boson dit de Higgs a été citée plus haut, parce qu’elle est l’ob­jec­tif pri­mor­dial du nou­veau col­li­sion­neur de pro­tons LHC en cours de construc­tion dans le tun­nel du LEP, pré­vu pour 2005.

Il y aura deux grandes expé­riences au LHC ; pour l’une d’elles, ATLAS, 1 500 phy­si­ciens du monde entier actuel­le­ment ins­crits, plus de cinq mille mètres car­rés de chambres mul­ti­fi­laires fines extra­po­lées des chambres d’O­PAL vont être construits, avec la tech­no­lo­gie israé­lienne, par un consor­tium japo­nais et israé­lien, la fac­ture totale étant hors de l’é­chelle israé­lienne seule ; ces chambres ont été adop­tées par la col­la­bo­ra­tion ATLAS comme com­po­sant très impor­tant du sys­tème de déclen­che­ment de la prise de don­nées par iden­ti­fi­ca­tion des phé­no­mènes extrê­me­ment rares qui sont recher­chés. Il ne s’a­git plus pour nous Israé­liens de four­nir comme pour OPAL une mesure certes utile mais néan­moins com­plé­men­taire, mais bien d’une contri­bu­tion essen­tielle au « robi­net » per­met­tant l’ex­pé­rience. La par­ti­ci­pa­tion Israël-Japon est visible sur le sché­ma d’AT­LAS : ce sont six grandes roues, quatre très grandes et bien visibles, deux un peu plus petites encas­trées dans un dis­po­si­tif dont l’é­chelle est don­née par sa hau­teur, celle d’un immeuble de cinq étages !

Tan­dis qu’Is­raël reste cer­tai­ne­ment en posi­tion de maître d’œuvre en matière de construc­tion de ces chambres, la réa­li­sa­tion en série de l’élec­tro­nique qui doit cette fois trai­ter des cen­taines de mil­liers de signaux a été concé­dée à nos col­lègues japo­nais, après que des pro­to­types déve­lop­pés en Israël ont fait la preuve que nous sommes capables de lire et d’ab­sor­ber ces signaux en moins de 25 mil­liar­dièmes de seconde (le temps sépa­rant deux col­li­sions suc­ces­sives au LHC), et de les réa­li­ser en série en Israël sans doute pas plus cher, et avec des tech­no­lo­gies plus modernes que celles choi­sies par nos col­lègues, dont la mise de fonds et l’ef­fort humain jus­ti­fient tout à fait le par­tage de la tâche.

Pour finir…

Sous-pro­duit des chambres fines d’O­PAL, des chambres plus petites des­ti­nées à la mesure pré­cise de la posi­tion de par­ti­cules char­gées pro­duites dans des inter­ac­tions de neu­tri­nos ont été construites en 1997 ; elles ont atteint une pré­ci­sion remar­quable de 50 microns. Ce record vient de la com­bi­nai­son de l’é­pais­seur minime de ces chambres avec une élec­tro­nique de très haute qua­li­té due au CERN, per­met­tant l’a­na­lyse de la struc­ture de charge induite sur des bandes de lec­ture de 1,2 mm, bien adap­tée à la dis­tance fils cathode de ces chambres.

Quit­tant la France voi­ci trente ans pour créer le groupe du Tech­nion, l’au­teur de ces lignes sou­le­va auprès de Ber­nard Gré­go­ry, alors direc­teur géné­ral du CERN, la pos­si­bi­li­té de l’as­so­cia­tion d’Is­raël, idée immé­dia­te­ment reje­tée, car « elle para­ly­se­rait l’ac­ti­vi­té du CERN en y impor­tant le conflit du Moyen-Orient ». Heu­reu­se­ment, l’ef­fort et le temps ont fait leur œuvre, Israël a cin­quante ans, et existe au CERN, digne­ment, sans conflit avec per­sonne, ici aus­si à la pointe de la Science et de la Technologie.

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