Nicolas Morange : L’origine de l’Univers

Portraits de chercheurs Article publié le 20 mai 2020 , mis à jour le 22 septembre 2020

Nicolas Morange est chercheur au Laboratoire de physique des 2 infinis - Irène Joliot-Curie (IJCLab - Université Paris-Saclay, CNRS), fruit de la fusion de cinq grandes entités dédiées à la physique subatomique sur le campus d’Orsay. Il vient de recevoir la médaille de bronze du CNRS, une distinction qui l’encourage à poursuivre ses recherches sur le boson de Higgs. Cette particule, qui s’est dévoilée pour la première fois en 2012, permet au chercheur de s’inscrire dans la longue tradition de la recherche en physique des particules expliquant petit à petit l’origine du monde.

Au sein de lIJCLab, Nicolas Morange fait partie de l’équipe ATLAS, du nom d’une des quatre expériences internationales menées au CERN sur le LHC (Large Hadron Collider), l’accélérateur de particules basé à Genève. 3 000 physiciens du monde entier collaborent à l’expérience ATLAS, afin de comprendre l’origine de l’Univers.

Traquer le boson de Higgs

Pour cela, ils traquent le boson de Higgs, une particule infiniment petite prévue par la théorie du modèle standard de la physique des particules dès les années 60, mais n’ayant été observée pour la première fois qu’en 2012. « Cette théorie explique tout, ou presque, de l’infiniment petit dans notre univers, signale Nicolas Morange. Elle nous indique en particulier que le champ quantique associé au boson de Higgs est à l’origine de la masse de toutes les autres particules. Autrement dit, en l’étudiant, nous allons comprendre pourquoi et comment toutes les particules ont acquis de la masse dans les premiers instants de l’Univers, au moment et juste après le Big Bang. »

40 millions de collisions par seconde

Le chercheur s’est spécialisé dans une des manières dont le boson de Higgs se désintègre. « J’étudie la plus fréquente, la désintégration en paire de quarks b. Elle représente 60 % des désintégrations, mais elle est très difficile à repérer parmi des milliards de milliards de collisions de protons (40 millions par seconde entre 2010 et 2012, puis entre 2015 et 2018), d’autant plus que beaucoup se ressemblent comme des gouttes d’eau ! C’est ce que nous appelons le bruit de fond. Nous devons mettre en œuvre des techniques très poussées de machine learning pour analyser de très grandes quantités de données et isoler le signal que nous recherchons. »

Une expérience menée par 3 000 personnes

Ces données, Nicolas Morange et son équipe viennent les piocher sur la « grille de calcul » mise à disposition par le CERN, à l’instar des autres laboratoires du monde entier. Financé par l’Union européenne, le CERN opère les accélérateurs de particules tandis que l‘expérience ATLAS, qui détecte et analyse les collisions, est menée conjointement par les laboratoires partenaires dans le monde entier. Ainsi, 3 000 physiciens signent ensemble les mêmes publications. « Nous sommes organisés par groupe d’intérêt, jusqu’à 80 physiciens répartis dans 15 pays, confie le chercheur qui a dirigé un an le groupe dédié à l’étude de la désintégration en paire de quarks b. Nous nous répartissons le travail d’analyse, puis nous vérifions et comparons nos résultats entre nous avant de les publier. »

Le LHC en maintenance

ATLAS est un détecteur gigantesque (45 mètres de long, 25 mètres de diamètre). Il prend la forme d’un cylindre rempli de capteurs électroniques et est situé dans une caverne à 100 mètres sous terre. Il est arrêté depuis 2018. Conçus dans les années 90 pour durer jusqu’en 2035, ses détecteurs se refont une jeunesse avant de redémarrer leur activité au milieu de l’année 2021. Nicolas Morange, comme tous les physiciens, participe à cette rénovation, son second axe de recherche. En collaboration avec des ingénieurs de l’IJCLab et du laboratoire OMEGA (de l’Ecole polytechnique), il travaille au remplacement de l’électronique d’un des détecteurs du LHC (le calorimètre à argon liquide chargé de mesurer l’énergie des particules) qui contribue à l’expérience ATLAS.

« Comprendre le fonctionnement du monde m’a toujours intéressé », confie le jeune chercheur, qui a soutenu sa thèse au CEA au moment précis de la découverte du Boson de Higgs, « un moment génial, qui a retenti au-delà de la communauté scientifique ! ». Après un post-doctorat de deux ans au CERN, il est recruté en 2014 au CNRS et vient d’en recevoir la Médaille de bronze. « C’est pour moi à la fois une vraie reconnaissance de la communauté de la physique des particules et une incitation à aller plus loin. » Les résultats de ses recherches sur le boson de Higgs, qui représentent cinq années de données, viennent d’être publiés : ils constituent à coup sûr l’état de l’art pour un certain nombre d’années…