La cathédrale des objets mathématiques
Les expériences scientifiques sont d’incroyables méthodes pour appréhender et prévoir le monde mais elle ne serait pas grand chose sans son outil préféré : les mathématiques et leur équations. Sisi, les scientifiques ne peuvent pas s’en passer! Et ce depuis le tout début, depuis le jour où ils inscrit
1+1=2
Enfin, ça c’est la belle histoire romancée… En réalité, s’il est certain que cette équation est connue depuis des lustres, elle n’a probablement été écrite en ces termes qu’autour du XVIe siècle, période où le symbole “=” a été inventé. Et encore, on n’utilisait le signe “+” que depuis environ un siècle… Pour les chiffres “arabes” c’est en revanche plus vieux, quelques trois millénaires AVJC, enfin sauf bien sur pour le zéro hein, qui a mis un sacré bout de temps à arriver, à être de nouveau oublié, puis à être utilisé comme on le fait aujourd’hui.
Tout cela pour dire que les symboles, les outils mathématiques que l’on utilise aujourd’hui sont loin d’avoir toujours existé et sont loin d’être figés dans le temps. Leur construction a même pu prendre un temps que vous ne soupçonnez pas : ce n’est qu’après 362 pages de démonstration, au XXe sciècle, que Whithead et Russel ont finalement prouvé que 1+1=2. Résultat qu’ils ont commenté en ajoutant “cette équation peut parfois se montrer utile”.
Et malgré cette évolution incessante, les équations ont toujours a peu près la même tête : des MACHINS “additionnés” ou “multipliés” avec des BIDULES qui en fait sont “égaux” à des trucs.
MACHIN + BIDULE = TRUC ou MACHIN x BIDULE = TRUC
Ce n’est qu’une illusion, ça fait bien longtemps que les mathématiciens n’utilisent plus vraiment les nombres, les aditions et les égalités que vous avez apprises à l’école. Comme avec toute drogue, les mathématiciens ont eu besoin d’aller plus loin en construisant des objets conceptuels délirants, bravant parfois des interdits historiques! Vous savez, ce genre d’interdits comme “celui dont on ne dit pas le nom” dans “le livre que je ne citerai pas parce qu’il est trop connu”. Ce mathématicien qui arrive un matin, transpirant, et qui vous dit : “Vous pouvez faire tout ce que vous voulez mais JAMAIS, au grand JAMAIS ne divisez par zéro“!
En fait, on vous a menti, on peut diviser par zéro, comme on peut dire Voldemort, mais cela a un prix !
Pour diviser par zéro, il faut ajouter aux nombres l’infini et bidouiller un peu pour que ça marche, en gros il faut accepter que l’infini et -l’infini c’est la même chose. Ça peut paraître étrange mais ça consiste tout bêtement a prendre la ligne des nombres et de la refermer sur elle-même pour en faire un cercle. C’est ce qu’on appelle la géométrie projective.
Ces géométries sont un peu étranges, elles obéissent à d’autres règles du jeu. Par exemple deux droites ont toujours une intersection (donc ne parlez plus de droites parallèles ; dans cette géométrie, ça n’a aucun sens).
Est-ce que c’est si bizarre? Finalement quand on regarde une route aux côtés bien parallèles, on a l’impression que les deux cotés de la route viennent se rejoindre sur un point à l’horizon. C’est pour cela que cette géométrie très étrange est très utile, elle est terriblement efficace pour tous les calculs liés à la perspective : la correction des photos façades de bâtiments prises d’en bas du bâtiment par exemple!
De toute manière, la bizarrerie dépend largement du point de vue, par exemple on a dû vous apprendre à l’école que “la somme des angles d’un triangle fait 180°”, eh bien en fait c’est parfois faux… enfin souvent… enfin la plupart du temps quoi! Et en particulier c’est faux en géométrie projective. Mais pas que sur ce genre d’espace un peu étrange où l’on peut diviser par zéro, c’est aussi faux sur la surface du globe. Imaginez par exemple un triangle dont les sommet sont au pôle nord, un point de l’équateur et un autre point à mi-chemin sur l’équateur entre ce point et son opposé sur le globe. On obtient un triangle avec trois angles droits!
Aujourd’hui, une des questions centrale de la cosmologie est de savoir que donne la somme des angles d’un triangle dans l’univers, 180°? un peu plus? ou un peu moins? Toutes ces possibilités correspondent à des géométries plus bizarroïdes les unes que les autres. Si cette somme est égale ou plus grande que 180 degrés, on a le choix entre une vingtaine de géométries qui respectent la relativité générale d’Einstein et si cela fait moins de 180 degrés, on a le choix parmi une infinité de géométries différentes !
Revenons à notre équation fondamentale MACHIN + BIDULE = TRUC. Un peu comme dans nos exemples de géométries biscornues et de division par zéro, le travail si mystérieux du mathématicien consiste justement à donner de nouvelles définitions à chacun des termes de ces équations et à regarder ce que cela peut donner. Par exemple définir des nouvelles “additions”, “multiplications” : comment multiplier deux mouvements du Rubik’s Cube. Et surtout, définir de nouveaux MACHINS, BIDULES et TRUCS et la dessus les scientifiques de ces dernières années se sont servis avec plaisir : La mécanique quantique utilise des objets qui n’ont qu’une valeur une fois mesurés, les distributions, la théorie des cordes nous parle des objets en allant au-delà de la dimension 4, la cryptographie s’amuse à “additionner” les points de courbes particulières, les exemples sont sans fin !
Ce qui est pratique avec les outils mathématiques c’est qu’en général, ils ne respectent qu’un tout petit nombre de propriétés, de règles du jeu. Et si quoi que ce soit les respecte aussi, on a le droit d’utiliser l’intégralité des résultats démontrés parfois sur des siècles. Alors certes, cette “cathédrale” conceptuelle est moins visible que ses homologues matérielles que sont les expériences hors normes mais elle n’en est pas moins imposante tant les mathématiciens chaque jour s’attellent à en faire un seul monument unifié dont toutes les pièces communiquent.
Quelques livres pour savourer les équations mathématiques :
- The universe in zero word : Un bouquin qui parle de plusieurs équations et raconte les concepts mathématiques liés
- 17 equations that changed the world : la même chose, par Ian Stewart et pas exactement le même jeu d’équtation
La sérendipité
En guise de cathédrale, pour ma part, je vais vous parler de l’une des formes les plus surprenantes de créativité en sciences.
À chaque fois que je suis au CERN, je ne peux m’empêcher de penser au Web.
C’est un truc de fou quand on y pense : on met en place le plus gros instrument scientifique du monde pour traquer une particule qui n’aime pas trop se montrer et ce qui en ressort en premier, 20 ans avant que le boson de Higgs ne finisse par pointer le bout de son nez, c’est cet outil formidable qu’est le web et qui permet d’exister à des utopies aussi improbables que ce podcast ou que Wikipédia… Même si on n’avait pas trouvé le boson, on aurait au moins le web, ce nouveau poumon de l’économie de ce début de XXIe siècle ; c’était de l’argent bien investi. Qui aurait pu s’attendre à cela en votant le budget de 9 milliards de dollars pour construire le LHC ? (Ce qui correspond, histoire de remettre la cathédrale au milieu de la cité, à 5 jours de dépenses militaires américaines !)
Bref… Cette joyeuse combinaison de hasard et de génie m’a donné envie de vous parler de sérendipité. Avant d’énumérer quelques exemples, permettez-moi de vous raconter une petite histoire :
1. Awaiting The End
« Les trois fils du roi de Serendip refusèrent après une solide éducation de succéder à leur père. Le roi alors les expulsa.
Il partirent à pied pour voir des pays différents et bien des choses merveilleuses dans le monde.
Un jour, ils passèrent sur les traces d’un chameau. L’aîné observa que l’herbe à gauche de la trace était broutée mais que l’herbe de l’autre côté ne l’était pas. Il en conclut que le chameau ne voyait pas de l’œil droit. Le cadet remarqua sur le bord gauche du chemin des morceaux d’herbes mâchées de la taille d’une dent de chameau. Il reconnut alors que le chameau aurait perdu une dent. Du fait que les traces d’un pied de chameau était moins marquée dans le sol, le benjamin inféra que le chameau boitait.
Tout en marchant, un des frères observa des colonnes de fourmis ramassant de la nourriture. De l’autre côté, un essaim d’abeilles, de mouches et de guêpes s’activait autour d’une substance transparente et collante. Il en déduisit que le chameau était chargé d’un côté de beurre et de l’autre de miel. Le deuxième frère découvrit des signes de quelqu’un qui s’était accroupi. Il trouva aussi l’empreinte d’un petit pied humain auprès d’une flaque humide. Il toucha cet endroit mouillé et il fut aussitôt envahi par un certain désir. Il en conclut qu’il y avait une femme sur le chameau. Le troisième frère remarqua les empreintes des mains, là où elle avait uriné. Il supposa que la femme était enceinte car elle avait utilisé ses mains pour se relever.
Les trois frères rencontrèrent ensuite un conducteur de chameau qui avait perdu son animal. Comme ils avaient déjà relevé beaucoup d’indices, ils lancèrent comme boutade au chamelier qu’ils avaient vu son chameau et, pour crédibiliser leur blague, ils énumérèrent les sept signes qui caractérisaient le chameau. Les caractéristiques s’avérèrent toutes justes. Accusés de vol, les trois frères furent jetés en prison. Ce ne fut qu’après que le chameau fut retrouvé sain et sauf par un villageois, qu’ils furent libérés.
Après beaucoup d’autres voyages, il rentrèrent dans leur pays pour succéder à leur père. »
Vous aurez peut-être reconnu un extrait des voyages et aventures des trois princes de Serendip, un conte persan qui se déroule à Ceylan (l’actuel Sri-Lanka), connu en Europe depuis le XVIe siècle et qui a inspiré le Zadig de Voltaire.
Les princes y font sans cesse la découverte de choses qu’ils ne cherchaient pas, par une subtile combinaison d’accidents et de sagacité.
D’où le terme de sérendipité, proposé en 1754 par l’esthète anglais Horace Walpole pour désigner ce moteur très important de découvertes scientifiques.
Je ne sais pas si inventer le Web en cherchant des bosons entre stricto sensu dans la définition, mais ce concept de chance doublée de sagacité est bien la mécanisme à l’œuvre dans :
- la découverte de la quinine comme remède contre le paludisme au Pérou, par un Indien Qechua à l’article de la mort ;
la vaccination. C’est en effet en observant l’immunisation accidentelle de laitières contre la vaccine (la variole de la vache) qu’Edward Jenner put mettre au point le premier vaccin contre la variole qui fut aussi le premier vaccin tout court ;- la découverte d’éléments chimiques tels que l’oxygène, l’iode, l’hélium et les gaz nobles ;
- les anesthésiques, la photographie, la chiralité (l’orientation gauche-droite) des molécules par Louis Pasteur, le Big Bang (ou plutôt l’observation du fond diffus cosmologique qui a validé l’hypothèse), les pulsars, la chimiothérapie, la pilule, le LSD, les rayons X, la fission nucléaire, la saccharine, la pénicilline, le nylon, le teflon, l’aspirine, le velcro, les corn-flakes, la découverte de l’ADN et les post-it sont tous les fruits de la sérendipité.
Epatant, non ? Ah, et je vous ai dit que le Wifi est un produit dérivé de recherches infructueuses sur les trous noirs ?
C’est marrant de penser que quels que soient les moyens en jeu, il y a toujours une part de bol qui vient s’ajouter à la sueur et au génie, mais il serait bien sûr idiot de croire que cela puisse suffire.
Les découvertes par sérendipité ne sont et ne seront toujours possibles que si l’on continue de mettre des moyens dans la recherche.
On ne trouvera peut-être pas ce qu’on cherchait mais on trouvera certainement des choses épatantes qu’on n’aurait jamais découvertes si on ne cherchait rien !
Petit complément de la version écrite
La quinine
La légende veut qu’un Amérindien souffrant de paludisme et brûlant de fièvre, se soit perdu dans une forêt des Andes où poussent de nombreuses espèces d’arbustes Cinchona. À un moment, il a aperçu une flaque d’eau. À moitié mort de soif, il en a bu à grandes gorgées malgré la présence de racines de Cinchona dans l’eau, dont l’écorce – la quinine justement – laissait un petit goût amer, et dont en pensait qu’il s’agissait de poison. Il avait trop soif. À sa grande surprise, il ne mourut pas. Au contraire, même, sa fièvre retomba, il retrouva son sens de l’orientation et put rentrer au village où il raconta son histoire et où les sages firent le lien entre les bouts d’écorce et l’apaisement des symptômes de la malaria.
La vaccination
Edward Jenner n’a pas découvert la vaccin contre la variole, qui fut aussi le premier vaccin tout court, après de fastidieuses recherches en laboratoire… À 19 ans, il a entendu par hasard une laitière affirmer qu’elle n’aurait jamais la variole car elle avait eu la vaccine (la variole de la vache). Des années plus tard, jeune médecin, il se souvint de cette anecdote en constatant à quel point la variole était difficile à traiter. Il enquêta et se rendit compte que les laitières, en effet, ne contractaient pratiquement jamais la variole. Celui lui donna l’idée d’inoculer la vaccine à ses patients pour leur éviter de contracter la variole. Un cas remarquable de sérendipité !
Le protoxyde d’azote comme anesthésique
Joseph Priestley découvrit le protoxyde d’azote en 1772 et on se rendit vite compte que ce gaz non-toxique produisait des effets particuliers. Les gens qui l’inhalaient commençaient volontiers à chanter, à se battre ou à rire. 27 ans plus tard, Humphry Davy
se rendit compte qu’une exposition prolongée au gaz produisait une perte de conscience temporaire. Il suggéra qu’on l’utilise en chirurgie, mais l’idée ne convainquit pas. Ce n’est qu’à l’occasion d’un accident 15 ans plus tard en 1844, qu’on se rendit enfin compte du vrai potentiel du gaz comme anesthésique. Une démonstration publique des effets du protoxyde d’azote – qu’on appelle aussi gaz hilarant – fut donnée dans le Connecticut. Au lieu de rire, la personne qui l’avait inhalé devint très violente et s’agita jusqu’à ce qu’elle se blesse et se calme. Il s’agissait d’un certain Monsieur Cooley, dentiste lorsqu’il était dans son état normal. Il fut stupéfait de s’apercevoir qu’il s’était fait une entaille très profonde à la jambe et qu’il ne l’avait pas sentie. C’est cet événement qui marqua le début de l’utilisation des anesthésiques en salle d’opération.
La chiralité (orientation gauche-droite des molécules)
Louis Pasteur était très intrigué par un drôle de phénomène : la composition chimique des sels d’acide tartrique et d’acide racémique. Pourtant, les deux molécules avaient un effet différent sur la lumière polarisée. Ses observations, en cherchant à comprendre le phénomène, l’ont conduit à constater que l’orientation des molécules composant les cristaux de ces sels était différente, d’où l’effet différent sur la lumière, tantôt envoyée à gauche, et tantôt à droite. La chiralité est désormais une notion essentielle en chimie et particulièrement en pharmacie. La même molécule ne produit pas les mêmes effets selon son orientation. Comme nous l’indiquait ElJJ, dans un sens, c’est du citron, dans l’autre c’est de l’orange !
Le Big Bang
En 1964, Arno Penzias et Robert Wilson, recherchaient des signaux du cosmos. Malgré toutes les précautions du monde, ils captaient toujours un bruit de fond, comparable à la neige qu’on avait sur nos écrans de télé avant que les tuners ne deviennent numériques. Selon une légende populaire en astrophysique, ce fond diffus cosmologique était soit une trace du Big Bang, soit du guano de pigeon. La première hypothèse était la bonne et valut aux chercheurs le Nobel de physique en 1978.
La chimiothérapie
Pendant la seconde guerre mondiale, un navire allié transportant du gaz moutarde fut bombardé dans un port italien. De nombreux soldats se retrouvèrent dans l’eau, où ce gaz extrêmement toxique se répandit en un clin d’œil. On les repêcha, les soigna, et on observa un phénomène étrange : le taux de globules blancs dans le sang de nombreux patients s’était effondré. Parce qu’une diminution de globules blancs est parfois synonyme de santé améliorée dans certaines leucémies, on eut l’idée de traiter des patients avec du gaz moutarde. Cela ne les a pas guéri mais a ouvert la voie qui a conduit aux moutardes azotées, directement dérivées du gaz moutarde, utilisées avec succès dans certaines chimiothérapies.
La pilule
Irène nous en parlera mieux dans son dossier de la rentrée, mais disons que ce n’est pas un événement isolé qui est à l’origine de la pilule, mais une combinaison complexe de circonstances dont la sérendipité n’est pas absente. Quand les laboratoires Syntex ont quitté le New-Jersey pour s’établir au Mexique dans les années 40 (les recherches sur les hormones étaient hyper réglémentées aux Etats-Unis à l’époque), la découverte de contraceptifs oraux ne faisaient pas partie des projets. L’un des objectifs était d’obtenir de l’estradiol, une hormone féminine utilisée pour traiter certains troubles qui peuvent apparaître à la puberté. Une hormone très proche de la progestérone – considérée comme un contraceptif naturel – fut obtenue par accident. Vous connaissez la suite : on peut dire que la pilule a changé le monde. Il est d’ailleurs très intéressant que tout le monde sache immédiatement de quelle pilule on parle – parmi le foisonnement de cachets qui existent aujourd’hui – quand on dit simplement “la” pilule 🙂
Le LSD
Le chimiste suisse Albert Hofmann effectuait des recherches sur l’acide lysergique dans les laboratoires Sandoz à Bâle, dans l’espoir de mettre au point des médicaments contre la migraine et les saignements post-accouchement. Un jour de 1938, alors qu’il travaillait sur le diéthylamide de l’acide lysergique (petit nom LSD…) il dut s’arrêter de travailler et rentra chez lui car il se sentait étonnement agité, avec un sentiment de tête qui tourne. Une fois arrivé, il se coucha et plongea dans un délire “pas déplaisant” (ce sont ses propres mots) marqué par un degré extrême de fantaisie et des visions d’une vivacité extraordinaire. Cela dura plus de deux heures. Hofmann suspecta un lien avec ses travaux ; il avait dû avaler ou inhaler une quantité infime de sa préparation sans s’en rendre compte. En bon scientifique, il répéta l’expérience, avec des doses variables, et déposa un brevet en 1943 et le LSD fut produit en quantités industrielles par Sandoz jusqu’en 1966.
Les rayons X
En 1892, Wilhelm Röntgen essayait d’observer des rayons cathodiques dans de nouvelles conditions, il n’a pas trouvé ce qu’il cherchait… Le tube sous vide qui devait s’allumer est resté éteint quand il a ouvert le courant. Déçu, il a tout de même remarqué une faible lumière qui s’est manifestée à plus d’un mètre de son tube, comme un petit nuage vert qui vibrait au rythme des décharges électriques de son néon. Il comprit tout de suite qu’il s’agissait d’un phénomène complètement nouveau, et passa plusieurs semaines à essayer de comprendre cette nouvelle forme de rayonnement. Il publia un premier papier en 1895 et en continuant ses recherches, il s’aperçut que son nouveau type de rayon pouvait enregistrer des images du squelette sur du film photo. Cette dernière propriété attira l’attention du monde médical et la technologie fut adoptée en un temps record par tous les hôpitaux du monde.
La fission nucléaire
En 1934, alors que Irène Curie, la fille de Marie et Pierre Curie, et son mari, Frédéric Joliot venaient de découvrir la radioactivité artificielle, et s’étaient aperçus que certains noyaux atomiques, que tout destinait à être stables pour toujours, pouvaient être rendus instables si on les obligeait à avaler des particules additionnelles. Enrico Fermi, à Rome décida d’utiliser des neutrons plutôt que des particules α pour bombarder les noyaux d’atomes massifs d’Uranium. Il pensait que cela créerait probablement des éléments proches (en poids) de l’Uranium. Mais Otto Hahn et Fritz Strassman, à Berlin, découvrirent que cela créait deux atomes de Barium, pesant chacun environ la moitié d’un atome d’Uranium : l’atome avait été coupé en deux ! Là aussi, les bombes atomiques, les centrales nucléaires, toussa, vous connaissez la suite… Voilà encore un phénomène important qu’on a découvert alors qu’on ne le cherchait pas.
Sources
- “Serendipity: Accidental Discoveries in Science”, Royston M. Roberts (1989) http://amzn.com/0471602035
- “The role of serendipity in drug discovery”, Thomas Ban (2006) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3181823/
- http://io9.com/5739235/7-scientific-accidents-that-led-to-world-changing-discoveries
- http://www.bbc.com/news/magazine-20071644
- http://en.wikipedia.org/wiki/Serendipity
Voir aussi, chez les copains du Café :
- http://www.alamain.info/?p=649
- http://atomehotel-leblog.com/2014/05/06/la-serendipite/
- http://atomehotel-leblog.com/2014/06/13/la-serendipite-deuxieme-episode/
Et ailleurs sur l’Internet mondial en français :
Illustration sonore (conte de Serendip):
- “Awaiting the End“, par Majed Salih (album par The Symphony of Persian Doors) http://www.jamendo.com/fr/track/1069101/awating-the-end
Les bâtisseurs d’expérience
Saint-Exupéry a écrit : « Les pierres du chantier ne sont en vrac qu’en apparence, s’il est, perdu dans le chantier, un homme, serait-il seul, qui pense cathédrale. […] Quiconque porte dans le cœur une cathédrale à bâtir, est déjà vainqueur. »
(Antoine de Saint-Exupéry, Pilote de guerre)
Depuis que nous avons découvert le célèbre boson de Higgs, nous sommes ici un petit peu vainqueurs, et nous avons dans les yeux l’étincelle de fierté d’avoir gagné une « particule de Nobel ». C’est que nous avons appris à porter dans le cœur une cathédrale à bâtir, cette cathédrale des sciences du XXIe siècle qu’est le détecteur ATLAS.
Bruno Mansoulié a bien eu raison de parler de « petit miracle » à propos de l’organisation d’ATLAS, de sa « conception en commun » et de sa « réalisation en morceaux ». Et puis d’ajouter, « tous ces morceaux, apportés au CERN, s’emboîtent correctement, fonctionnent ensemble et atteignent des performances extraordinaires ». Je voudrais ici tracer le parallèle entre ATLAS et les chantiers des grandes cathédrales du Moyen-Âge pour nous aider à comprendre comment nous avons réussi ce petit miracle.
Ce parallèle, on peut le tracer sur plusieurs plans. Tout en faisant bien attention à ne pas le surinterpréter ! Comparaison n’est pas raison, et l’analogie n’est pas toujours jolie : dans ATLAS, les seules prières qu’on adresse sont celles d’ingénieurs et techniciens qui veulent faire marcher leur engin, et de physiciens qui rêvent d’observer des phénomènes nouveaux dans des territoires jusque-là inexplorés. Et si un jour certains ont eu la grande mauvaise idée d’appeler le boson de Higgs la particule de Dieu, c’est parce qu’ils ont confondu une particule « sacrée » avec une « sacrée particule » – au sens de « sacrément difficile à attraper » ; et ça, c’est la pure vérité: presque cinquante ans de traque pour la capturer enfin !
Cinquante ans, voyez qu’on approche des durées des chantiers médiévaux. Prenons la cathédrale de Chartres : la reconstruction après un incendie a commencé en 1194 pour se terminer vers 1220. Moins de quarante ans, un record pour l’époque. À ATLAS, on a eu peine à faire beaucoup mieux : imaginé en 1984, le projet a été approuvé en 1994, et l’installation du détecteur s’est achevée en 2008, pour observer des premières collisions en 2010, sa consécration en quelque sorte… Côté dimensions, la caverne d’ATLAS mesure 53 m de long et 35 m de haut. Rien à envier aux 37 m sous voûte de Chartres, et aux 44 m de longueur de sa nef. Pour ATLAS, l’ensemble s’étend depuis 100 m sous terre (sur 10 m de fondation) jusqu’à une dizaine de mètres au-dessus du sol, soit plus de 110 m en tout. Hauteur de la flèche de Chartres : 115 m. Oui, les volumes sont comparables !
Et cette voûte, n’est-elle pas une prouesse architecturale ? Savez-vous qu’elle a été fabriquée avant les murs qui la
soutiennent ? Pour préserver l’espace intérieur de la caverne qui n’était pas encore creusée, à cause du tunnel de l’accélérateur qui fonctionnait encore à l’époque ! Alors comme il n’y avait pas de murs, on a soutenu la voûte par plusieurs dizaines de filins d’acier, tel le manteau d’un pont suspendu de 30 m de large – à peine deux mètres de moins que le viaduc de Millau.
Prenez maintenant la structure du toroïde, ce gigantesque aimant qui remplit presque à lui tout seul toute la caverne. Avec ses huit longs fûts, ne dirait-on pas des colonnes horizontales, des « piliers de la terre » souterrains ? Ne rayonne-t-il pas à l’image de la grande rosace de la cathédrale de Notre-Dame de Paris (et avec un diamètre double) ? Et de manière aussi foisonnante que le « palmier » du couvent des Jacobins à Toulouse ? Ne dirait-on pas le point de convergence d’une croisée d’ogives, comme celle qui surplombe le chœur de la cathédrale de Nuremberg ? J’ai fait une photo-montage de ces deux images : le résultat est confondant. Bon évidemment, à la radio ça passe moins bien, alors vous la trouverez sur le site.
En fond et à droite, expérience ATLAS au CERN (M. Brice, CERN-EX-0511013-01, novembre 2005). En superposition, chevet de la cathédrale de Nuremberg [Stephenson, Heavenly Vaults, 2009, p. 109].
La statuaire d’ATLAS est d’une autre esthétique – plus contemporaine, disons moins « bestiaire et gargouilles» – avec tous ces fils, tubes et tuyaux aux arabesques très libres. Les trésors d’ingéniosité qu’il a fallu déployer pour intégrer tous ces morceaux de détecteurs ! Des installations avec des objets de 25 m de long pesant 100 tonnes, qui rentrent les uns dans les autres avec des marges de quelques centimètres ! N’est-ce pas comme ajuster à l’aide de ces cages à écureuil les pierres d’un vaste édifice ? Heureusement, nos ponts roulants ont une meilleure précision, et ne nécessitent que la pression du doigt pour vous soulever tout cela.
Un physicien a écrit : « Les cathédrales médiévales résumaient la connaissance de l’époque : la zoologie dans la statuaire, la mécanique dans l’équilibre des structures, l’astronomie et les mathématiques dans les horloges. On exposait ainsi la synthèse du savoir scientifique le plus avancé alors. ATLAS représente aussi une culmination des connaissances actuelle : le détecteur met en œuvre les technologies les plus performantes pour une recherche qui frise l’ésotérisme. » (Vanucci 2007, p. 119).
∴
Rien à ajouter, si ce n’est le rôle de l’être humain. Sur un tel chantier n’œuvrent pas les seuls physiciens, armés de tournevis lumineux, de scotch orange et d’oscilloscopes étranges ! Que non ! Les corps de métiers ont été, au fil des ans, moults et fort variés. Terrassiers, maçon-ne-s, ferrailleurs et bétonneurs ; serruriers et boulonneurs ; géomètres, mécanicien-ne-s, pontiers, tireurs de câbles, poseurs de tuyaux ; cryogénistes (spécialistes des grands froids), magnéticiens (non, je n’ai pas dit magnétiseurs) et électromécaniciens ; et puis électronicien-ne-s, informaticien-nes et câbleuses de fibres optiques ; sans oublier les gestionnaires de projet, coordinateurs de planning, contrôleurs des comptes et pourvoyeurs de finances, que sais-je encore. Ne sont-ils pas, tous ces corps de métiers constitués d’hommes et de femmes passionné-e-s, à l’image des confréries et corporations d’autrefois, gâcheurs de mortier et maçons, tailleurs de pierre et sculpteurs, bûcherons, menuisiers et charpentiers, forgerons et ferronniers, facteurs d’orgue et souffleurs de verre, maîtres de l’œuvre et du Tracé ? N’est-ce pas de leur savoir-faire, de leur rigueur, de leur ardeur à la tâche que nous, les bâtisseurs de détecteurs, avons su nous inspirer pour construire notre cathédrale de la science ?
Une petite parabole pour conclure. À trois tailleurs de pierre occupés avec leurs outils sur le chantier d’une cathédrale, ces trois questions :
– À quoi es-tu occupé ? – À gagner ma vie, répondit le premier.
– Et toi ? – À tailler la pierre, répondit le second.
– Et toi ? – À bâtir une cathédrale, répondit l’artisan initié.
Au fil des ans, ingénieur actif au sein de la coordination technique d’ATLAS, j’ai appris que le chantier est réussi quand chacun remplit ces trois rôles simultanément. S’investir dans une finalité qui nous transcende, en s’impliquant dans des tâches concrètes, autonomes et coordonnées, qui nous apportent une reconnaissance, même anonyme et collective. À l’image de ces marques lapidaires, ces traits d’identification sculptés par le maçon sur chacun de ses blocs de pierre, et qui disparaissent une fois celui-ci mis en place dans l’ouvrage : signes de l’accomplissement individuel de sa tâche et de son humble insertion dans l’œuvre collective. Pour la gloire, non pas de Dieu, mais de la science et de la création de connaissance.
Pour retrouver Bertrand Nicquevert :
- S. Carroll, Higgs, le boson manquant, trad. B. Nicquevert, ill. L. Bernet, Belin, 2013. http://www.editions-belin.com/ewb_pages/f/fiche-article-higgs-le-boson-manquant-21754.php
- B. Nicquevert, «Le Higgs, la chauve-souris et l’éléphant. Discipline, inter(in)discipline, trans(cen)discipline.» In Hermès n°67, décembre 2013. http://www.iscc.cnrs.fr/spip.php?article1827
- http://atlas.ch/
- ch.linkedin.com/pub/bertrand-nicquevert/4/b3a/938/
ALICE – Un voyage vers l’origine de l’univers
Alan : De quoi la matière est-elle faite ?
Despina Hatzifotiadou : C’est connu que la matière ordinaire est constituée d’atomes, dont chacun secompose d’un noyau entouré d’un nuage d’électrons. Le noyau est un assemblage de protons et de neutrons, qui eux-mêmes sont constitués de quarks. Les quarks sont liés par une force connue sous le nom d’interaction forte ; cette force est véhiculée par une particule appelée gluon.
A : Oulah, ça va vite… Pour rappel, le gluon, c’est donc le vecteur de l’interaction forte, comme le photon est le vecteur de la force électro-magnétique. Et donc l’interaction forte, c’est cette force qui lie les quarks entre eux à l’intérieur des protons et des neutrons. Elle fait également autre chose ?
D.H. : L’interaction forte lie également les protons et les neutrons pour former les noyaux atomiques.
Un quark ne peut pas être observé isolé : les quarks sont irrémédiablement liés par les gluons et enfermés pour toujours dans les protons et les neutrons. Ce phénomène est connu sous le nom de confinement. Le mécanisme à l’origine du confinement reste inconnu.
A : Donc les pauvres quarks sont coincés à l’intérieur des protons et des neutrons pour le restant de leurs jours… Bon, au moins, ils ne s’ennuient pas, il y en a toujours plusieurs, n’est-ce pas?
D.H. : Les protons et les neutrons sont composés de trois quarks, mais en additionnant la masse des trois quarks, on obtient … à peine 1 % de la masse du proton ou du neutron.
A : Oui mais alors, à quoi sont dû les 99 % de la masse manquante ?
D.H. : Le même mécanisme qui confine les quarks au sein des protons et des neutrons serait également à l’origine de la quasi totalité de la masse de la matière ordinaire.
A : Le mécanisme inconnu…
D.H. : La théorie actuelle de l’interaction forte (appelée chromodynamique quantique) prévoit que, à très hautes températures ou à très hautes densités, les quarks et les gluons ne devraient plus être confinés. Au contraire, ils devraient exister librement dans un nouvel état de la matière et de gluons.
A : On parle de quelles températures ?
D.H. : Cette transition devrait s’initier lorsque la température de la matière dépasse une valeur critique estimée à environ 2000 milliards de degrés… Environ 100 000 fois plus élevée que la température régnant au cœur du Soleil ! De telles températures n’existent plus dans la nature depuis la naissance de l’Univers. Nous pensons que pendant quelques millionièmes de seconde après le Big Bang, la température dépassait la valeur critique, et que l’état de l’Univers tout entier était celui du plasma de quarks et de gluons.
A : Oui mais alors… Comment fait-on pour étudier un tel scénario de manière expérimentale ?
D.H. : Il faut recréer ces conditions extrêmes en laboratoire. C’est exactement cela, le but de l’expérience ALICE. En réalisant des collisions frontales de noyaux lourds accélérés par le LHC, nous pensons pouvoir créer dans un minuscule volume de la taille d’un noyau atomique, une goutte de cette matière primordiale pendant un bref instant suffisamment long toutefois pour observer sa transformation en matière ordinaire.
A : Et quel genre de noyaux envoie-t-on au crash-test ?
D.H. : L’ isotope utilisé est le plomb 208 avec 82 protons et 126 neutrons dans son noyau ; on enlève tous les 82 électrons et on finit par avoir des noyaux des plomb nus. En utilisant toute la chaîne d’accélérateurs du CERN (le synchrotron à protons, le supersynchrotron à protons et le LHC, le grand collisioneur de hadrons), on les accélère jusqu’a une vitesse très proche de celle de la lumière.
A : Et alors… Que se passe-t-il au moment de la collision ?
D.H. : Quand deux noyaux entrent en collision frontale, la température extrême résultante libère les quarks et les gluons. Quarks et gluons entrent eux-mêmes en collision les uns avec les autres créant un environnement en équilibre thermique: le plasma de quarks et de gluons.
Le plasma se dilate et se refroidit à environ 2 millions de millions de degrés, température à laquelle les quarks condensent pour former de la matière ordinaire, à peine 10-23 secondes après le début de la collision.
Des milliers de nouvelles particules sont créées. On entoure donc le point de collisions avec des couches de détecteurs, qui servent à capturer ces produits des collisions.
A : Et donc, on bâti une cathédrale souterraine pour observer le phénomène ?
D.H. : Installé à 56 mètres sous la terre, ALICE est un détecteur gigantesque et extrêmement complexe ; ALICE pèse 10’000 tonnes, et mesure 16 m de hauteur sur 26 m de longueur, Il est composé de 18 sous-détecteurs, dont la plupart sont installés dans un grand aimant solénoïdal qui a la forme d’un octogone.
A : Ah oui… Ce fameux engin qui a l’air sorti tout droit d’un film de science-fiction (photo http://home.web.cern.ch/sites/home.web.cern.ch/files/styles/medium/public/image/update-for_the_public/2013/04/alice.jpg?itok=1RPBd1vP )
Et que font les détecteurs, exactement ?
D.H. : Les détecteurs identifient les dizaines de milliers de particules produites dans chaque collision et mesurent leur énergie ainsi que des points le long de leur trajectoire dans le champ magnétique.
La détection des particules donne des signaux électroniques produits par les quelques millions de canaux de tous les détecteurs de ALICE; des systèmes ultra-miniaturisés sont utilisés pour leur traitement et leur digitalisation et des centaines d’ordinateurs pour leur enregistrement. Ensuite, pour l’analyse des données, une distribution mondiale des ressources informatiques est utilisée (GRID).
A : Le GRID, c’est donc ce réseau d’ordinateur d’une puissance phénoménale, qui compte plusieurs centaines de milliers de milliers de processeurs répartis dans 34 pays. Je suppose qu’il faut au moins cela pour analyser les données observées par les détecteurs d’ALICE…
Combien de personnes travaillent sur sur le projet ?
D.H. : ALICE compte plus de 1200 collaborateurs, dont environ 350 doctorants, qui viennent de 132 instituts de physique répartis dans 36 pays à travers le monde.
A : Et on a trouvé quelque chose à ce jour ? Je veux dire… On a répondu ou on est sur le point de répondre à la question de l’origine de la masse ?
Pour retrouver Despina Hatzifotiadou :
http://aliceinfo.cern.ch/Public/Welcome.html
http://alicematters.web.cern.ch/
https://twitter.com/ALICEexperiment
Les méthodes de construction des instruments
Avant de considérer les instruments scientifiques comme des cathédrales (ou pas), il y a une étape préalable qui me semble primordiale : leur construction. On n’a pas toujours affaire à des ouvrages extraordinaires lorsqu’il s’agit d’instruments scientifiques. Je me suis donc intéressée à celui qu’on avait là, sous nos pieds, le tunnel du CERN. Et il se trouve que sa construction est déjà en soi exceptionnelle, notamment en termes de dimension et de précision.
Le tunnel du LEP
A l’origine, le tunnel a été construit pour héberger le LEP. L’idée commence à germer dans les années 70, en 81 le projet est validé. On lance un appel d’offre, plusieurs entreprises répondent et en 83 le projet est attribué à EUROLEP (groupement d’entreprises française, suisse, allemande, espagnole, et italienne) pour la partie tunnel classique. Il y a une zone un peu différente à creuser (j’y reviendrai), sous le Jura qui a été attribuée à une autre entreprise spécialisée, GLLC.
Avec ses 26.66km le tunnel du CERN est le … 6ème plus long tunnel du monde, toutes catégories confondues ! A noter que c’est quand même le plus long tunnel qui ne sert pas au passage de voitures ou de trains mais à la recherche scientifique… En plus de ses dimensions impressionnantes, il possède une particularité géométrique : c’est un anneau, enfin presque, en tout cas il n’a pas d’extrémité. Et ça, ça le rend assez unique (par rapport aux autres tunnels de cette ampleur), parce qu’habituellement, quand on fait ce type de construction, on préfère qu’il y ait une entrée d’un côté et une sortie de l’autre.
Bon ok, on a donc un tunnel aux dimensions impressionnantes, mais ça, ça n’implique pas nécessairement que ça ait été compliqué à construire.
Avant de commencer les travaux, il a fallu déterminer le tracé. La majorité du tunnel se trouve en France (notamment en raison de la différence de réglementation entre les 2 pays ; en Suisse il aurait fallu faire un référendum si on avait voulu sortir des terrains appartenant déjà au CERN).
La seconde étape pour réaliser ce projet d’ampleur, a été d’analyser la nature du sol, (c’est d’ailleurs une donnée qui est indispensable avant le démarrage de tous les chantiers). Sur 90% du tunnel, on avait un bon sol. De la molasse, une roche ni trop dure ni trop molle, idéale pour creuser un tunnel. Bon, cette molasse se trouve sous une couche de sable d’épaisseur plus ou moins variable et dans laquelle on peut trouver des nappes phréatiques (j’y reviendrai), mais dans l’ensemble on était pas trop mal. Il est quand même resté 3km sous la chaîne du Jura, qu’on n’a pas pu éviter. Et là on a du calcaire, avec des failles géologiques, c’est pas franchement idéal, mais avec une entreprise spécialisée, ça se fait.
Maintenant, il faut s’attaquer au phasage des travaux. Comme le sondage de terrain, cette étape est absolument primordiale.
Les ouvrages à construire peuvent être répartis en 2 types :
- Les puits d’accès, 18 en tout (puits pour les machines, les expériences et le personnel)
- Les tunnels.
Un phasage avait été prévu afin d’optimiser le délai des travaux.
Vous voyez au-dessus un schéma du tunnel. On voit des petits carrés (numérotés de 1 à 8) qui représentent les différents points d’entrées (les puits mentionnés plus haut, chaque entrée pouvant accueillir plusieurs types de puits !)
La première étape, a bien sûr été de construire les puits d’accès, pour pouvoir amener les machines et les hommes qui devaient travailler dans le futur tunnel.
On a donc creusé des trous pouvant aller de 30m (un immeuble de 11 étages) à 150m (55 étages !)
Les accès sont créés, on peut attaquer le tunnel. Pour ça, on utilise des engins qu’on appelle, tunneliers (c’est assez transparent comme mot). Faits sur mesure… L’objectif était d’utiliser deux tunneliers partant du puits 8 (donc à peu près au milieu, 3 tronçons à faire vers la gauche, 4 à droite). Le premier travaille du point 8 au point 3, le second du point 8 au point 4. C’est simple, logique.
Comme ça arrive souvent, ça ne s’est pas passé comme prévu. Pour créer les puits d’accès au niveau du point 8, il fallait traverser une nappe phréatique, avec laquelle on ne pouvait absolument pas interagir. Il existe plusieurs techniques pour traverser une nappe. Une que je trouve intéressante, c’est la technique de la congélation. On creuse jusqu’à presque atteindre la nappe phréatique. On insère alors alors des tubes dans lesquels on fait circuler un liquide refroidissant. Une fois que l’eau est gelée, on découpe le bloc par lequel le puits doit passer et on traverse la nappe dans des conditions sèches !
Cette intervention a demandé beaucoup d’argent mais surtout beaucoup de temps, ce qui a compromis l’avancement des tunneliers (il y avait en plus au même moment une grève des ouvriers) !
Si vous avez suivi, on a retardé la mise à disposition du puits 8, qui était le point de départ de nos 2 tunneliers !
En conséquence, le phasage a été revu et un peu moins optimisé comme on peut le voir sur le schéma ! Le tunnelier 1 a fait la portion 1-2, puis 6-4. Le tunnelier 2 a fait 8-6 et là… le chantier avait vraiment pris trop de retard, aux grands maux les grands remèdes, on a mis un 3ème tunnelier pour boucler les parties 8-1 et 2-3. C’est un peu plus désordonné vous ne trouvez pas ? Et puis pensez qu’à chaque fois, au lieu de tracer tout droit, on a fait ressortir les tunneliers pour les faire redescendre vers leur nouveau point de départ… Pas terrible…
Finalement côté Jura, ça s’est plutôt, bien passé. Une petite fuite, quelques travaux de renforts pour l’étanchéité mais rien de bien problématique.
Que dire d’autre ? Un autre point très intéressant sur la construction, c’est la précision avec laquelle on a dû bâtir le tunnel. Quand il s’agit d’infrastructures routières ou ferroviaires, le tracé est important, mais si on s’écarte de quelques dizaines de centimètres, c’est pas forcément catastrophique. Dans le cas du LEP, on ne pouvait pas s’écarter de plus de quelques centimètres de la trajectoire prévue. Pour ça, on a utilisé, probablement pour la première fois en Europe, le système de navigation NAVSTAR (le GPS en fait) en complément des techniques utilisés habituellement pour servir de guidage. Il a ensuite fallu reporter au niveau du tunnel (donc à environ 100m sous la surface du sol naturel). Et pour ça, on ne peut pas utiliser un fil à plomb ! Il faut tenir compte de la courbure de la terre ! Le résultat, est qu’au terme de la construction, l’écart maximum par rapport à la trajectoire prévue est de seulement 8cm, sur des tronçons de plus de 3km ! Beau travail…
Le tunnel, c’est l’enveloppe, c’est pas ça qui est réellement utile ; ce qui compte pour le CERN, c’est ce qu’on a mis dedans, et là encore on a relevé de sacrés défis. Je ne pourrai pas détailler les différentes étapes de mise en place pour le LEP puis le démantèlement pour le LHC. Il y a quand même une chose que je voulais aborder, c’est la mise en place des éléments pour CMS. On a dû faire descendre par les puits 15 pièces allant de 250t à 1920t ! 1920t, pour vous donner une idée, c’est le poids de 5 Boeing 747 au décollage ! C’est énorme. On a à cette occasion encore fabriqué une grue portique sur mesure !
Finalement, avant de pouvoir réaliser les avancées incroyables qui ont été faites au CERN, il a déjà fallu réaliser un ouvrage vraiment exceptionnel en termes de construction. Les techniques utilisées, l’ampleur du chantier, le coût, le temps record qu’il a fallu pour le construire en font un objet digne des cathédrales en matière de construction !
Sources :
LEP – The Lord of the Collider Rings at CERN 1980-2000: The Making, Operation and Legacy of the World’s Largest Scientific Instrument, H. Schopper, http://www.amazon.fr/LEP-1980-2000-Operation-Scientific-Instrument/dp/3540893008
Mise en place de CMS :
- https://www.youtube.com/watch?v=Lqg7gUKO0Ik
- http://www.vsl-heavy-lifting.com/references-media/documents/RefPDF_14.pdf
- http://press.web.cern.ch/press-releases/2007/02/giant-magnet-goes-underground-cern
- Sentence finale rendue par le tribunal dans le litgie CERN/ EUROLEP : http://cds.cern.ch/record/32504/files/CM-P00083394-f.pdf
- Profil en long du LEP : http://support-st-cv-projects.web.cern.ch/support-st-cv-projects/Baseline/Data_vent/lhc/lhc_general/tunnel_relief.pdf
- Tunnelier du CERN : http://bullarchive.web.cern.ch/bullarchive/9927/art2/Text_F.html
L’expérience AMS-02 – Julia Hoffman
Alan : Julia, qu’est-ce qui rend l’expérience AMS si particulière ?
Julia Hoffman : L’expérience AMS est très différente d’une expérience «typique» du CERN. Tout d’abord, ce n’est pas un détecteur souterrain comme CMS, ATLAS, LHC et ALICE mais un détecteur spatial.
A : C’est à dire… Comme un satellite ?
J.H. : En effet, le détecteur est en orbite à 400 km au-dessus de la terre avec une vitesse de 7000 km/h. Le détecteur AMS est relié à la station spatiale internationale qui mesure 108 mètres de long sur 76 mètres de large, soit l’équivalent d’un terrain de football, et pèse environ 500 tonnes.
La Station internationale spatiale a pour objectif d’assister ou de conduire les nombreuses expériences qui se déroulent à bord, soit à l’intérieur des modules habitables.
A : C’est donc un mini-CERN en orbite autour de la terre ?
J.H. : AMS est un détecteur de physique des particules et donc possède des éléments communs aux détecteurs pour le grand collision de hadron (LHC), par exemple un tracker, un aimant ou un calorimètre électromagnétique.
A : Un tracker, c’est donc le système qui permet de savoir par où les particules en déplacement sont passées. Et un un calorimètre, c’ est un appareil expérimental qui mesure l’énergie des particules en les faisant entrer en contact avec un objet massif (du plomb par exemple). Voilà pour les gros mots… Et donc, on recherche quoi avec ce détecteur ?
J.H. : Les principaux objectifs de ce détecteur sont de résoudre les mystères de la matière noire et l’asymétrie matière-antimatière. L ‘expérience AMS effectue les mesures les plus précises sur les rayons cosmiques et elle est l’une des expérience spatiale les plus importante concernant l’étude des astroparticules.
A : Petite question… Comment est-ce que vous récupère les données de l’expérience ?
J.H. : Je vais vous donner juste une image simplifiée concernant le transfert de données et la communication entre le détecteurs et la terre.
Nous communiquons avec le détecteur avec les satellites, tout comme nous communiquons par les téléphones cellulaires dans des tours de téléphonie cellulaire. La tour doit recevoir le signal de notre téléphone portable et de l’autre téléphone portable, ou tour intermédiaire. Pour la réception d’un signal, un satellite doit «voir» l’antenne de la station spatial et un endroit aux États-Unis, où le signal est reçu, alors, il est envoyé au CERN, à notre salle de contrôle. Dans la salle de contrôle, il y a toujours une personne écoutant les communications entre la NASA et à bord de l’ISS (SSI en français). S’il y a des activités qui peuvent influencer et perturber notre détecteur – par exemple changement thermique ou perturbation sur l’envoi de données – la NASA nous met au courant afin de prendre les mesures nécessaires pour éviter la perte de données ou les dommages du détecteur. En outre, nous communiquons avec la NASA si nous jugeons bien de modifier quelques paramètres sur le détecteur pour la prise de données.
A : Mais… Vous parlez directement aux astronautes ?
Étant donné qu’il y a une hiérarchie à la NASA, nous ne pouvons pas parler directement aux astronautes, mais nous pouvons entendre leurs conversations avec la NASA et nous sommes parmi les premiers à voir les activités extra-véhiculaires avec des caméras installées sur la station.
A : Et est-ce que vous avez déjà trouvé quelque chose ? Commencez-vous à percer le secret de l’assymétrie entre matière et anti-matière ?
Nous n’avons pas trouvé l’antimatière complexe encore. Par “complexe”, je veux dire des noyaux plus lourds que l’hydrogène. Par exemple un anti-deuteron. Ceci est une tâche très difficile et qui exige beaucoup de données et une analyse compliquée. Pour la découverte de la matière noire, c’est difficile à dire : nous voyons dans nos données des choses qui pourraient être interprétées aussi bien comme l’évidence de matière noire ou comme le signal de sources naturelles. Nous avons besoin de plus de temps et données pour pouvoir dire quelque chose de plus définitif.
A : Julia, merci beaucoup 🙂
Pour retrouver Julia Hoffman :
- https://www.facebook.com/julia.hoffman.739
Ils en p
arlent…
Le Dr. Eric Simon, du blog Ca se passe là-haut, nous donne des nouvelles d’AMS-02 suite à la publication de résultats le 18/09. Découvrez son article AMS-02 se rapproche de la matière noire.
Sociologie des grandes collaborations – Bruno Mansoulié
Les plus grandes des expériences LHC, ATLAS et CMS, rassemblent environ 3000 physiciens chacune.
Mais comment sont-elles organisées ? Qui y fait quoi ? Qui décide de quoi ?
Pour commencer, je voudrais éclaircir un point. Ici, le mot « expérience » prête un peu à confusion : on imagine en effet une expérience comme ce qu’on pratiquait au lycée : je mélange un produit jaune avec un produit vert et je regarde si le résultat est noir ou rouge. Ce n’est pas le cas ici. Ici, le LHC produit, en quatre points de l’anneau, des collisions proton-proton. Quand il fonctionne, le LHC produit un très grand nombre de collisions par seconde (environ 500 millions) à chaque point. Une « expérience » comme Atlas (ou CMS), regarde ces collisions, les trie, enregistre les plus intéressantes, les analyse, et publie des résultats. Atlas est donc bien plutôt un observatoire de collisions. La physique en jeu est quantique, donc statistique : des collisions identiques peuvent donner lieu à des effets différents ! Les plus intéressantes sont les plus rares, bien sûr.
Donc, de grands observatoires, construits et animés par des milliers de physiciens du monde entier. Tous employés du CERN ? Pas du tout. Le CERN est responsable de construire l’accélérateur et de fournir les faisceaux de particules (les protons), et les collisions. Les expériences/observatoires sont conçues et animées par des collaborations, constituées d’environ chacune 200 équipes provenant du monde entier.
Dans la plupart des grands équipements scientifiques, comme un télescope, ou un satellite, l’instrument est commun, mais chaque équipe propose son propre programme d’observation : regarder telle galaxie pendant 10 nuits par exemple. Ce n’est pas le cas ici. Toute la collaboration regarde toutes les collisions. Toutes les équipes se sont entendues pour concevoir et construire l’instrument, s’entendent pour le régler au mieux, et pour traiter les données recueillies. Dans l’analyse, chaque physicien va se spécialiser et regarder un aspect bien particulier : rechercher telle ou telle particule inconnue ou mesurer tel effet, mais dès le travail effectué, toute la collaboration va revoir ce travail, le questionner, le critiquer, et seulement avec l’accord de tous le résultat sera publié.
Une collaboration est donc formée par des dizaines voire des centaines d’équipes. On pourrait penser que les grands pays ont choisi leur camp, et que chaque collaboration regroupe certains pays, recouvre de grandes régions du monde. Il n’en est rien ! Les collaborations se sont formées par affinités entre personnes ou entre groupes, très peu en fonction de critères politiques.
En France par exemple, les laboratoires de physique des particules de Paris-Jussieu, Orsay, Marseille, Annecy, Clermont-Ferrand, etc. sont dans Atlas, ceux de Polytechnique-Paris, Lyon, Strasbourg, sont dans CMS. Quant à mon labo d’origine, l’IRFU du CEA à Saclay… il a une équipe dans Atlas et une dans CMS!
C’est donc un petit miracle que toutes ces équipes parviennent à s’organiser, et en particulier à concevoir un détecteur en commun, et même à en réaliser chacune un morceau chez elle, et que tous ces morceaux, apportés au Cern, s’emboîtent correctement, fonctionnent ensemble, et atteignent des performances extraordinaires pour la détection et l’analyse des collisions !
Ce n’est pas pour rien que le web (www.etc) a été inventé au Cern, précisément pour aider les chercheurs à communiquer…
Tout de même, il faut un peu d’ordre, et donc une hiérarchie, avec chefs et sous-chefs…
Cette organisation est très particulière et intéressante. Chaque collaboration invente et écrit sa propre constitution. Le (ou la) grand chef s’appelle un « spokesperson (porte-parole) ». Les chefs d’en dessous sont des « conveners », des animateurs.
Un convener peut avoir de très grandes responsabilités : pendant la construction, il dirige le travail de centaines de physiciens et ingénieurs, supervise des commandes de dizaines de millions de Francs Suisses (donc d’Euros). Mais ce n’est pas un « chef » : il n’a aucune autorité réelle sur les gens qu’il dirige : leurs avancements, leurs carrières, dépendent de leur labo d’origine et non du convener ! Sa seul arme pour diriger est la conviction, le consensus. C’est magnifique sur le principe. Parfois un peu pesant, il y a des jours où on aimerait pouvoir faire preuve d’autorité, mais… on ne peut pas. Je dis souvent à mes amis qui sont cadres dans le privé qu’ils devraient faire un stage de convener chez nous…
Et pourtant, ça marche ! Les performances des détecteurs sont au rendez-vous, efficacités de détection sont très élevées, les calibrations extrêmement précises… Pourquoi ?
Tout repose sur la motivation, de tous et de chacun. Une motivation assez étonnante, un sens profond de l’intérêt commun.
Cela ne va pas sans poser des difficultés : les publications sont signées par 3000 auteurs, par ordre alphabétique. Les autres domaines scientifiques ont souvent des ordres d’auteurs : 1er auteur, etc. mais nous, on n’a pas trouvé de meilleur procédé pour reconnaître le travail de chacun.
Comment reconnaître le travail et le mérite ? En particulier des jeunes ? Un atout fantastique est que les chercheurs sont en grande partie des jeunes : moitié ont moins de 35 ans… Mais une thèse est souvent un travail parcellaire, très pointu, sur une toute petite partie des analyses. Un travail essentiel pourtant, et souvent l’occasion d’une vraie contribution personnelle, un vrai travail de recherche, plein de méthodes inédites, de trouvailles… Mais presque rien n’en sera mentionné dans la publication finale.
La première satisfaction est celle du travail bien fait, d’avoir défriché et cultivé son lopin de terre, même petit, et même dérobé aux regards. Les collaborations ont aussi mis en place des prix de la meilleure thèse, des systèmes de référencement de notes internes, etc. Mais le problème de la reconnaissance parmi 3000 auteurs reste présent à un certain niveau, par exemple pour trouver un emploi de chercheur après la thèse ou plus tard dans la carrière.
Il n’en reste pas moins que ces collaborations sont des expériences humaines fascinantes : mus par une motivation commune, des centaines de groupes de toutes nationalités, cultures, traditions, travaillent ensemble sans trop de heurts, et obtiennent des résultats fabuleux. Un mode moderne d’organisation, où les réseaux informatiques et humains jouent un grand rôle, mais où chaque personne peut se développer, s’enrichir de sa recherche et du contact des autres, et peut apprendre à penser et à convaincre.
Pour retrouver Bruno Mansoulié
Quelques contributions grand public sur le web :
http://www-centre-saclay.cea.fr/fr/Mansoulie (date de 2008)
http://www-centre-saclay.cea.fr/fr/Bruno-Mansoulie-La-traque-du-Boson-de-Higgs (CEA)
https://www.youtube.com/watch?v=l4-QCEUwdZU (Fondation Cartier)
http://www.franceculture.fr/personne-bruno-mansoulie (France Culture)
http://www.universitepourtous.net/les-plus-belles-equations-de-la.html
Extremely Large Telescopes : des cathédrales pour l’astronomie
Billet diffusé dans le cadre de la soirée Radio-Dessinée “Instruments scientifiques : cathédrales du XXIe siècle ?“, au CERN le 23 août 2014
Quand on parle d’une cathédrale scientifique à un astrophysicien, il pense tout de suite à la future génération des très grands télescopes, les Extremely Large Telescopes (ELT).
Des instruments pharaoniques
Les travaux pour ces instruments scientifiques, parmi les plus grands jamais construits, ont commencé tout récemment. Il faut imaginer leur miroir comme des immenses poêles à paëlla, jusqu’à 40m de large, composé de plusieurs centaines d’alvéoles qui font la taille d’un humain environ. Cette immense poêle à paëlla est enfermée dans une coupole de 80m de haut. Le tout est placé en haut de certaines des plus hautes montagnes terrestres, comme le Mauna Kea (plus de 4000m) à Hawaii ou dans le désert d’Atacama (3000 m) au Chili.
Ils seront trois dans un premier temps :
– le thirty meter telescope (télescope de trente mètres, américain et canadien), prévu pour 2018 à Hawaii.
– le Giant Magellan Telescope (26m, américain, australien, coréen) dont la construction n’a pas encore commencé.
– le European Extremely Large Telescope (E-ELT, 39.6m), qui devrait être achevé en 2021 et dont les travaux ont commencé le 19 juin dernier. Il sera construit au Chili, tout près du plus grand télescope européen actuel (le Very Large Telescope, composé de 4 télescopes de 8m chacun). Il est construit par l’ESO (European Southern Observatory) organisation européenne dédiée à l’astronomie et en particulier à la construction des télescopes au sol. Jusqu’en 1980, la division télescope de l’ESO était d’ailleurs située… ici même, au CERN, avant de déménager en Allemagne.
Avant de commencer, pour que vous vous rendiez bien compte de la taille de l’E-ELT et pour rendre hommage aux communicants de l’ESO, je voulais présenter ces images mettant en comparaison l’E-ELT, les Very Large Telescope avec… tous les monuments auxquels vous pouvez penser.
L’E-ELT et les VLT à Paris (arc de Triomphe)
L’E-ELT et les VLT à Bruxelles (Atomium)
L’E-ELT et les VLT à Vienne (Cathédrale Saint Stephen)
L’E-ELT et les VLT à Pise (Tour de Pise)
L’E-ELT et les VLT à Rome (Colisée)
L’E-ELT et les VLT à Barcelone (Cathédrale de la Sagrada Familia)
L’E-ELT et les VLT au Caire (Pyramides)
L’E-ELT et les VLT à Sydney (Opéra)
L’E-ELT et les VLT à New York (Statue de la liberté)
L’E-ELT et les VLT à Berlin (Porte de Brandburg)
Bon en dehors du côté amusant, c’est vrai que ça donne bien une idée de la taille de l’ELT : c’est vraiment aussi gros qu’une cathédrale !
Mais au fait. Il en manque un non ? Bon alors, j’ai décidé de donner un coup de main à la com de l’ESO et je vous présente en exclusivité :
L’E-ELT et les VLT à côté du jet d’eau de Genève !
L’idée de base de mon dossier, c’était de vous présenter tout ce qu’on s’attend à trouver avec les ELT (et il y a plein de choses). Et puis je me suis dit que j’allais plutôt vous parler de ce qu’on ne s’attend pas à trouver avec les ELT.
L’idée m’est venue d’un article très intéressant de Martin Harwit, professeur à Cornell : La croissance de la compréhension en astrophysique (je vous encourage très vivement à le lire si vous comprenez assez bien l’anglais). Il fait une petite histoire de l’expansion de l’espace des paramètres d’observation, qui permet la plupart des découvertes en astrophysique, d’ailleurs de façon assez fortuite.
Ce qu’on ne s’attend pas à trouver avec l’ELT
Qu’est-ce que c’est que cet espace des paramètres ? Un être humain, sans instrument, c’est un peu limité. Il ne peut voir que la lumière visible (on ne voit ni les rayons X, ni les ondes radios par exemple). Il ne peut pas voir de petites variations de couleurs. Il ne peut pas voir ce qui est trop petit, ce qui est trop loin (seulement les étoiles très lumineuses et très proches de nous) ou même ce qui est trop grand (la première carte totale du fond diffus cosmologique date de la fin du XXeme siècle). Il ne peut pas voir ce qui est trop rapide (typiquement 24 images/seconde) ou ce qui est trop lent (essayer de regarder les montagnes pousser). Toutes ces grandeurs (résolution spatiale minimale et maximale, résolution temporelle, résolution dans le spectre lumineux, …) constituent l’espace des paramètres d’observation. En fait, l’instrumentation scientifique, c’est avant tout étendre cet espace des paramètres.
En astrophysique, on était dans un univers tout petit, et Galilée a décidé de pointer une lunette vers le ciel. Et là, on s’est aperçu que tout était beaucoup plus grand que prévu. Et un jour on a découvert les rayons X et les ondes radios, et quelqu’un s’est dit « et si on regardait le ciel avec ? » On a inventé des télescopes capables de capter la lumière invisible à l’œil nu. Capables de capter des photons venant d’objets vraiment très loin donc vraiment très vieux. Capables de faires des poses très rapides et on s’est aperçu que certains objets clignotaient dans l’univers. A chaque fois, l’univers où l’on se trouve s’en trouve grandi, non seulement en termes de distance, mais surtout dans le fait que le même univers peut être regardé à nouveau avec des yeux totalement neufs.
Citons rapidement un chouette exemple de découverte fortuite due à l’agrandissement de cet espace de paramètres. En 1967, Madame Jocelyn Bell et son directeur de thèse Anthony Hewish construisent un radio télescope. Ils veulent analyser des phénomènes sur de courtes durées (inférieures à la seconde) pour étudier un phénomène appelé scintillation. On voit donc ici l’agrandissement de l’espace de paramètres, puisque personne n’avait jamais pensé à regarder le ciel ainsi (en combinant ondes radio et très courtes durées temporelles). Une fois qu’ils ont mis en marche l’instrument, ils trouvent un truc qui émet en clignotant très vite en ondes radios. L’émission est extrêmement régulière. Ils mettent du temps à vérifier que le signal est vraiment fixe sur la sphère céleste et que ce n’est donc pas une émission humaine. Et donc, à quoi ils pensent ? Oui, à la même chose que vous et ils le surnomment LGM-1 pour little green men. Bon au final, on va découvrir qu’il s’agit de pulsars, des étoiles en fin de vie et qui tournent en quelques millisecondes autour d’elles-même. Ces objets étaient compatibles avec les théories existantes, mais ils ne s’attendaient pas du tout à trouver ça et ce n’était pas pour ça qu’ils avaient construit l’instrument. L’utilisation d’un nouvel instrument leur a donc permis de tomber sur un truc invisible auparavant, mais qu’on voit comme le nez au milieu de la figure dans ce nouvel espace de paramètres. Pour finir, cette découverte est aussi connue pour avoir valu le prix Nobel… à Anthony Hewish et à un de ses collègues, oubliant la femme de l’équipe, Jocelyn Bell. Un classique de l’histoire des sciences, mais qu’il ne faut jamais oublier de dénoncer.
Pour citer Martin Harwitt, quand il parle de découvertes astrophysiques majeures (c’est moi qui traduit) :
La plupart de ces découvertes ont été de grosses surprises, ce qui montre que l’anticipation théorique a assez peu à voir avec les découvertes. Ce qui importe le plus est la mise en place de puissants nouveaux outils.
Ça ne veut pas dire qu’en astrophysique, on n’a pas aussi nos Professeurs Higgs, qui prévoient un phénomène et attendent ensuite 40 ans que les instrumentalistes soient assez malins (et les contribuables assez généreux) pour que leurs prédictions soient vérifiées. Un exemple célèbre en astrophysique : la théorie d’Einstein avait permis dès 1911 de prédire la déviation de la lumière par un objet assez lourd. A l’époque, on en connaissait qu’un : le Soleil. Seulement, il fallait pour vérifier cet effet pouvoir observer des étoiles passant très près du Soleil, ce qui n’est pas simple (la luminosité du Soleil fait qu’en plein jour, les beaux ciels étoilés sont assez difficiles à apprécier). Il fallait attendre donc un évènement rare : une éclipse solaire totale et où le soleil est justement à proximité d’étoiles particulièrement brillantes (en gros un amas d’étoiles brillantes, le Soleil, la Lune et la Terre en alignement). Cet événement rare à eu lieu le 29 mai 1919 et le physicien anglais Eddington avait prévu 2 expéditions simultanées pour l’observer, une au brésil et une sur l’île africaine de Principe. Après analyse, les résultats sont annoncés le 7 novembre 1919 à la Royal Society de Londres, sous le portrait de Newton. Les résultats sont décisifs et prouvent pour la première fois, à la fois les limites de la théorie de Newton et la justesse de celle d’Einstein. Il faut comprendre qu’un an après la fin de la seconde guerre mondiale, cette annonce de la victoire de la théorie d’un jeune allemand sur l’indéboulonnable théorie Newtonienne en place depuis 2 siècles a été ressentie comme un drame national. Du jour au lendemain, comme Higgs un siècle plus tard, cette annonce fait immédiatement passer Einstein du statut d’astrophysicien inconnu du grand public à celui de star planétaire.
Bon, mais il reste tout de même que plein de découvertes en astrophysique et en science d’une manière générale sont de grandes surprises. Et c’est tant mieux ! Aussi impressionnantes que sont ces prédictions, si les découvertes révolutionnaires en science devaient à chaque fois être spoilée par Messieurs Higgs et Einstein (et Brout, et Englert) 40 ans avant, ça serait un peu comme regarder chaque épisode de Game of Thrones avec quelqu’un qui a déjà lu les bouquins.
Ce phénomène d’agrandissement de l’espace des paramètres n’est pas vraiment la sérendipité dont a parlé Alan. La construction de ces grandes poêles à paëlla que sont les ELT pour regarder les étoiles pourrait bien sûr révolutionner la façon de cuire la paëlla et permettre de trouver la solution à la faim dans le monde. Mais même si ce n’est pas le cas, la construction d’instruments énormes, comme les ELT, comme le LHC, permet d’étendre de façon extraordinaire cet espace des paramètres accessibles et de révéler quasiment à coup sûr des surprises dans le même domaine. Elle est donc nécessaire, quand bien même on n’a aucune idée de ce qu’on va y trouver.
Pour creuser un peu plus, le très intéressant article de Martin Harwit, The Growth of Astrophysical Understanding. A partir d’une analyse précise de l’évolution passée du savoir en astrophysique, l’auteur se permet des prédictions audacieuses sur les futures découvertes. C’est en anglais, mais c’est très compréhensible même sans avoir fait d’astrophysique et il y a beaucoup d’images. Il est disponible gratuitement ici.
