Dans le cadre de l’atelier des deux infinis, des élèves de TS2 ont présenté un projet d’expérience de physique des particules dans le cadre du concours international « a beamline for schools » organisé par le CERN pour la 6ème année.
Chaque année, environ 200 équipes dans le monde participent à ce concours. Mais en 5 années, ce ne sont que 12 équipes françaises seulement qui ont déposé un dossier, et aucune encore de La Réunion. Voilà donc qui constitue une grande première à saluer !
https://beamlineforschools.cern/current-past-editions
Cette année, ce sont 178 équipes représentant 50 pays qui ont participé à ce concours de très haut niveau.
Pour participer, les équipes doivent déposer un dossier (1000 mots maximum) présentant une expérience de physique des particules, et une vidéo (1 minute maximum) qui relate la démarche, le tout en anglais. Cette année, en raison de l’arrêt programmé du faisceau de protons au CERN, il fallait proposer une expérience utilisant le faisceau d’électrons du synchrotron Desy à Hambourg.
Tous les participants recevront prochainement un diplôme de participation. 30 équipes seront pré-selectionnées, gagnant un tee-shirt pour chaque membre de l’équipe, et un petit détecteur de rayonnement cosmique, dénommé Cosmic-pi, pour l’établissement.
Parmi les équipes vainqueurs, deux seulement seront ensuite invitées à passer 10 à 12 jours auprès de l’accélérateur pour réaliser leur expérience, avec l’appui technique des scientifiques, ingénieurs et techniciens du laboratoire.
L’objectif de l’expérience à proposer est de montrer, sur une question simple, une véritable problématique scientifique et une démarche adaptée à sa résolution. La méthodologie prend alors toute son importance, et c’est ce qui fait à la fois l’intérêt et la difficulté de ce concours.
Les élèves de l’atelier des deux infinis ont d’abord présenté tout le travail déjà réalisé depuis 2014 avec ce magnifique petit détecteur Cosmix, prêté par Sciences à L’Ecole : mesures dans différents pays et en différentes latitudes, au laboratoire souterrain de Modane ou sous la mer, mesures à toutes les altitudes terrestres jusqu’à plus de 3000 m, mesures en avion de tourisme comme en avion de ligne. Chaque fois, il a été possible d’obtenir des données permettant de comprendre les phénomènes liés au rayonnement cosmique : distribution angulaire, absorption par les roches ou par l’eau, effet de latitude lié à l’influence du champ magnétique terrestre ou encore augmentation exponentielle du flux en altitude, en raison de la moindre désintégration de ces particules instables que sont les muons.
L’idée suivante serait donc de placer Cosmix à bord de la nacelle d’un ballon stratosphérique, pour mesurer le flux considérable de particules à des altitudes très élevées, jusqu’à 30 km.
Mais qu’en est-il exactement de ce flux ? Les muons reçus au sol ne sont en réalité produits majoritairement qu’à des altitudes de 15 à 20 km. Au-dessus, le rayonnement cosmique est constitué d’un tas d’autres particules chargées : électrons, pions, protons, positrons.
Le flux serait à l’évidence énorme, mais présenterait sans doute aussi un maximum à une certaine altitude. Quelle est cette altitude ?
Comment réagirait alors Cosmix s’il était soumis à ce flux ? Aurait-il la capacité de détecter et de dénombrer ces particules ?
C’est pour le savoir qu’il a été proposé une expérience préalable à réaliser sur l’accélérateur de particules du laboratoire Desy, qui vise à soumettre Cosmix à des flux ajustables mais très élevés, d’électrons et de positrons, plus ou moins énergétiques et/ou focalisés sur les barreaux de détection. L’étude des variations induites par les modifications d’autres paramètres, comme l’orientation du détecteur ou encore sa distance à l’axe du faisceau, permettraient tout autant de mieux connaître la réponse du détecteur dans ces conditions extrèmes, ce qui faciliterait ultérieurement l’interprétation des résultats obtenus en très haute altitude, lors du transport en ballon stratosphérique.
Démarche classique du physicien, parfaitement mise en valeur dans ce projet : pour réaliser une nouvelle étude, on s’appuie d’abord sur une base de connaissances acquises par l’expérience et/ou sur des modèles théoriques, on élabore ensuite des hypothèses, incluant des données observables, comme des mesures, on formule un protocole expérimental permettant de les vérifier, puis on teste expérimentalement en laboratoire avant d’arriver à des conclusions qui permettront d’avancer sur l’étude.
Dans le cadre de ce concours, il faut aussi être particulièrement concis, ce qui oblige à aller à l’essentiel, tout en montrant le travail réalisé pour bien comprendre toute la physique que l’on peut réaliser autour de l’expérience proposée.
Aller au bout de cette démarche et présenter une candidature à ce concours constituent déjà une très belle performance, et, sans même attendre les résultats, l’atelier des deux infinis tient vraiment à féliciter les élèves pour cette première participation : en particulier Léa-Maria, Tatiana et Julie, avec une mention spéciale à Mizaan, qui a réalisé avec brio tout le montage de la vidéo.