Sara Bolognesi : explorer l’invisible, du boson de Higgs aux neutrinos
Sara Bolognesi est physicienne, chercheuse au Département de physique des particules – DRF/Irfu (DPhP – Univ. Paris-Saclay/CEA). Spécialiste de la physique du modèle standard et des neutrinos, elle s’intéresse aux interactions fondamentales et aux symétries qui sous-tendent la structure de la matière et de l’Univers. Très attachée à la dimension expérimentale de sa discipline, elle est convaincue que les grandes découvertes sont toujours le fruit d’un travail collectif.
Rien ne prédestinait la jeune Sara Bolognesi, lycéenne à Turin, à embrasser une carrière de physicienne. Issue d’un cursus littéraire, elle découvre la physique à travers les écrits de vulgarisation proposés par son professeur de philosophie. « J’ai compris alors que les mathématiques offraient un langage pour comprendre le monde », confie la chercheuse. Fascinée par la capacité de la physique à décrire l’invisible, elle choisit d’étudier cette discipline à l’université de Turin. Lors d’un stage au CERN, le Conseil européen pour la recherche nucléaire, elle découvre avec fascination un milieu international, ouvert et collaboratif. Un deuxième « déclic » qui oriente sa carrière vers la physique expérimentale et la mène à soutenir en 2008 une thèse sur la calibration des détecteurs à muons et l’étude du boson de Higgs par le détecteur CMS (Compact Muon Solenoid) installé sur le Grand collisionneur de hadrons (Large Hadron Collider ou LHC) au CERN.
Le CERN et la découverte du boson de Higgs : un rêve de physicienne
Pendant son doctorat, puis son post-doctorat au CERN, Sara Bolognesi plonge au cœur de l’aventure collective la plus marquante de la physique contemporaine. Engagée sur l’expérience CMS, elle participe aux analyses qui conduiront, en 2012, à la découverte du boson de Higgs — cette particule longtemps prédite par la théorie, essentielle pour comprendre l’origine de la masse des particules élémentaires. « Cette période a été un moment charnière et une immense joie collective. Tout le travail de plusieurs générations de physiciennes et physiciens trouvait alors son aboutissement. » Cette étape majeure franchie, Sara Bolognesi décide de ne pas en rester là. « J’ai très vite ressenti un besoin de renouveau intellectuel, l’envie de m’engager dans une nouvelle aventure susceptible de me conduire vers d’autres mystères à découvrir. » Une aspiration qui la pousse à s’ouvrir à de nouvelles opportunités, quitte à se tourner vers d’autres domaines de la physique.
Un nouveau départ au CEA Paris-Saclay : le pari des neutrinos
Fin 2013, la chercheuse apprend l’ouverture d’un poste sur la physique des neutrinos au CEA Paris-Saclay, au sein du Département de physique des particules (DPhP) de l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu). « Ne connaissant rien à ce domaine, j’aurais probablement censuré ma candidature si le laboratoire n’avait pas explicitement précisé qu’il était ouvert à des physiciennes et physiciens venant d’autres horizons. » Elle tente alors sa chance, avec succès, et s’installe avec son mari en région parisienne. Dès son arrivée, elle rejoint l’expérience T2K (Tokai-to-Kamioka), menée au Japon, qui étudie les oscillations des neutrinos — ces particules quasi insaisissables, parmi les plus abondantes de l’Univers mais aussi les plus difficiles à détecter. « Le changement de logique était total. Après des années au LHC, où l’on doit choisir quels événements conserver parmi des milliards de collisions, je me retrouvais dans un domaine où chaque événement compte et où l’on garde tout ! » Un virage en forme de défi pour la chercheuse. « J’ai dû tout réapprendre. Mais c’était exactement ce dont j’avais besoin », se souvient-elle.
Mesurer l’insaisissable : la physique des détecteurs proches
Au sein de T2K, un faisceau de neutrinos est produit dans un accélérateur de particules à Tokai, puis envoyé à plus de 295 kilomètres vers un gigantesque détecteur souterrain à Kamioka. Entre les deux, à proximité immédiate de la source, se trouve un ensemble d’instruments appelé « détecteur proche » : c’est à ce niveau que travaille Sara Bolognesi. « Ces détecteurs permettent de mesurer les neutrinos juste après leur création, ou plus précisément les particules qu’ils font naître lorsqu’ils interagissent avec la matière », explique la chercheuse. C’est en étudiant ces traces indirectes des neutrinos que les physiciennes et physiciens déterminent leur nombre, leur énergie et leur comportement. Des mesures essentielles pour mieux interpréter les signaux observés plus loin, affiner les modèles physiques qui décrivent leur comportement et améliorer la précision des futures expériences.
Vers la prochaine révolution des neutrinos
Parmi ces expériences futures, vers lesquelles Sara Bolognesi se projette déjà : Hyper-Kamiokande, le successeur de T2K, qui promet de nouvelles avancées majeures. « Avec T2K, nous avons atteint une précision remarquable, mais pour franchir le seuil de la découverte — les fameux “5 sigma” — il faut des faisceaux plus puissants et des détecteurs encore plus grands. » Huit fois plus massif que son prédécesseur, Hyper-Kamiokande vise à explorer la violation de la symétrie charge-parité (CP) chez les neutrinos. Une violation qui, si elle est confirmée, expliquerait pourquoi l’Univers est composé de matière plutôt que d’antimatière. « Dans la physique des neutrinos, nous savons que les dix ou quinze prochaines années vont être décisives. C’est très enthousiasmant de m’engager dans une aventure et d’espérer contribuer - avant ma retraite ! – à l’une des plus grandes énigmes actuelles de la cosmologie », se réjouit la physicienne.
La force du collectif
Au fil de son parcours, Sara Bolognesi a occupé de nombreuses responsabilités au sein de la collaboration T2K : d’abord responsable scientifique du groupe chargé de la mesure des sections efficaces, puis de leur modélisation, avant d’assurer la coordination de la physique pour l’ensemble du projet. Ces fonctions, à la croisée du scientifique et de l’humain, lui ont donné une vision plus large de la recherche : « On ne fait pas seulement de la physique, on apprend à construire du collectif ». Elle insiste notamment sur la richesse du travail aux côtés des ingénieures, ingénieurs, techniciennes et techniciens du CEA avec lesquels a été conçu le nouveau détecteur proche de T2K, doté de technologies innovantes. « Ce sont tous et toutes des expertes et experts passionnés sans qui rien ne serait possible. » Dans ce collectif, les doctorantes et doctorants ne sont pas en reste. « Je les considère comme de vrais collaborateurs et collaboratrices. Très souvent, si je me lève avec enthousiasme, c’est grâce à elles et eux », ajoute-t-elle. C’est d’ailleurs, selon elle, dans ces échanges constants entre chercheurs, chercheuses, ingénieures, ingénieurs, étudiantes et étudiants que se trouve la clé du progrès. « Les grandes découvertes ne sont jamais l’œuvre d’un seul : elles naissent d’une communauté qui, patiemment, construit le savoir. »
L’importance de l’équilibre vie pro – vie perso
En parallèle de ses responsabilités scientifiques, Sara Bolognesi est devenue mère de trois enfants adoptés, en pleine pandémie de Covid-19. « J’avais des doutes sur ma capacité à tout mener de front. Ce sont mes responsables qui m’ont convaincue que j’en étais capable. Je leur dois beaucoup, ainsi qu’à toutes les figures inspirantes et les modèles qui ont jalonné mon parcours », confie-t-elle. Cette expérience a profondément nourri sa réflexion sur l’équilibre entre vie personnelle et vie professionnelle. Une question qui concerne, selon elle, l’ensemble du monde de la recherche. « Il faut apprendre à valoriser d’autres rythmes, d’autres manières de s’investir. Je suis convaincue que la créativité scientifique se nourrit aussi de tout ce que l’on vit à côté de la recherche », conclut-elle.
