« Percuter » pour révéler davantage de nouvelles particules inconnues de l'humanité — Exploration du collisionneur électron-positon de Beijing après sa deuxième mise à niveau

Au bord de la route Yuquan à Beijing, sous une cour ancienne entourée d'arbres verdoyants, se cache une installation scientifique géante dont la forme évoque une raquette de badminton——le collisionneur électron-positon de Beijing. Dans cet anneau de 240 mètres de circonférence, les électrons et les positons peuvent être accélérés jusqu'à des vitesses proches de celle de la lumière pour entrer en collision frontale. En étudiant les particules microscopiques produites par ces collisions, les scientifiques explorent les lois fondamentales du monde microscopique, vérifient les théories physiques existantes et recherchent de nouvelles particules inconnues.

Récemment, un journaliste s'est rendu sur place pour découvrir cet équipement national majeur qui vient tout juste d'achever sa deuxième mise à niveau. Grâce à cette transformation, les indicateurs clés tels que l'énergie de collision et la luminosité de collision ont été considérablement améliorés, réalisant une percée historique des performances fondamentales.

“Cet équipement fonctionne depuis près de quarante ans, mais ce n'est pas une ‘vieille machine’.” En pénétrant dans le tunnel souterrain, Yu Chenghui, chercheur à l'Institut de physique des hautes énergies de l'Académie chinoise des sciences (ci-après dénommé “l'IHEP”) et directeur général des opérations du collisionneur électron-positon de Beijing, a expliqué qu'après deux grandes mises à niveau, l'équipement a été complètement “transformé” et constitue désormais une installation scientifique moderne à part entière.

Photo fournie par l'Institut de physique des hautes énergies de l'Académie chinoise des sciences

“Pour rester en tête, il faut se dépasser soi-même”

“Pourquoi procéder à une nouvelle mise à niveau ?”

Face à la question du journaliste, Yu Chenghui a expliqué qu'après la première mise à niveau achevée en 2009, le collisionneur électron-positon de Beijing est devenu le seul collisionneur au monde opérant dans la région d'énergie tau-charme. Au cours des onze années suivantes, 32 nouvelles particules ont été découvertes dans cette région d'énergie, aucune ne s'inscrivant dans le cadre théorique du modèle standard existant, ce qui laisse présager que la compréhension la plus fondamentale de la matière pourrait être révisée.

“Grâce à ces résultats, la Chine est depuis longtemps leader dans la recherche en physique des particules fondamentales dans la région tau-charme. Pour rester en tête, il faut se dépasser soi-même.” a déclaré Yu Chenghui, “Théoriquement, la région tau-charme recèle encore 10 à 15 nouvelles particules. Sans une nouvelle amélioration des performances du collisionneur, nous estimons qu'il faudrait 15 ans pour les ‘extraire’.”

Ces résultats prometteurs et concrets ont attiré plusieurs concurrents internationaux. Depuis 2020, les installations expérimentales telles que PANDA en Allemagne, Belle II au Japon et Jefferson aux États-Unis ont demandé des financements pour tenter d'orienter leurs collisionneurs vers cette région d'énergie “en or”.

“Le collisionneur est comme une pelle que les scientifiques utilisent pour creuser dans un gisement riche. Nous avons utilisé cette pelle pour extraire des trésors convoités ; maintenant que d'autres arrivent avec de meilleurs outils pour exploiter le gisement, nous devons affûter notre pelle.” a illustré Yu Chenghui.

“Nous devons défendre notre position de leader dans la région tau-charme et ne pas laisser filer l'oiseau qui est déjà dans notre main.” a-t-il déclaré en montrant la carte de distribution des nouvelles particules découvertes à côté de l'installation. “Dans le domaine de la physique des hautes énergies, celui qui découvre et publie en premier détient le droit de nommer ; être en retard revient à travailler pour rien. La deuxième mise à niveau est cruciale et déterminera directement si le collisionneur électron-positon de Beijing peut conserver son avantage concurrentiel mondial.”

En juillet 2021, le projet de mise à niveau de l'énergie de collision et de l'efficacité de collecte de données du collisionneur électron-positon de Beijing a été officiellement approuvé. L'Académie chinoise des sciences a décidé d'investir 160 millions de yuans, avec pour objectif de multiplier par plus de trois la luminosité de pointe et la luminosité intégrée du collisionneur.

Les concurrents internationaux qui observaient la situation avec convoitise ont ajusté leurs stratégies après avoir évalué notre plan de mise à niveau : trois d'entre eux, l'Allemagne, les États-Unis et la Suisse, se sont retirés volontairement de la compétition dans cette région d'énergie. L'installation japonaise, après sa mise à niveau, n'a pas atteint les objectifs escomptés.

“Il y a peu, nous avons achevé avec succès la mise à niveau, et tous les indicateurs de performance définis ont été atteints.” a souri Yu Chenghui, “Cette fois, l'oiseau ne peut définitivement plus s'envoler.”

“Développer le meilleur aimant supraconducteur combiné au monde”

Tout en parlant, le journaliste a suivi les chercheurs à travers la porte de protection pour pénétrer dans le tunnel de l'anneau de stockage. Sous ses yeux, les cavités supraconductrices à basse température, les aimants supraconducteurs combinés et les chambres à vide de précision étaient alignés avec soin, les équipements brillant d'un éclat froid sous la lumière.

“C'est ici que se trouve le cœur de la deuxième mise à niveau. Nous avons procédé à une refonte majeure de la zone du point de collision.” a déclaré Yu Chenghui en désignant l'aimant supraconducteur combiné qui venait d'être réceptionné. “Pour multiplier les performances par trois, la clé consiste à comprimer davantage la taille des paquets au point de collision et à augmenter l'intensité du courant, afin de provoquer un changement qualitatif de l'efficacité de collision.”

Cela semble simple, mais c'est en réalité un défi d'ingénierie extrême. Zhu Yingshun, chercheur à l'IHEP, a confié au journaliste : “Le plus grand obstacle est l'aimant de focalisation aux deux extrémités du point de collision — l'aimant supraconducteur combiné.”

Or, la technologie de fabrication de cet aimant était exclusivement détenue par le laboratoire national de Brookhaven aux États-Unis.

“Pour nous affranchir au plus tôt de cette dépendance, nous avons mis 13 ans à développer le meilleur aimant supraconducteur combiné au monde. Les performances de notre aimant surpassent de 40 % celles du produit américain.” La fierté transparaissait dans la voix de Zhu Yingshun. Plus ironique encore, en mai 2025, le laboratoire américain qui détenait autrefois le monopole a contacté l'IHEP de sa propre initiative pour acheter des aimants supraconducteurs combinés fabriqués en Chine.

Parallèlement, l'équipe a également surmonté de nombreuses technologies clés et réussi la localisation de plusieurs équipements essentiels. Par exemple, le module radiofréquence supraconducteur exploite la propriété des cavités supraconductrices dont la résistance disparaît à des températures extrêmement basses proches de moins 269 degrés Celsius, multipliant ainsi l'efficacité d'accélération et permettant de pousser plus efficacement l'énergie des faisceaux d'électrons et de positons à des niveaux supérieurs dans un espace limité ; le nouvel aimant d'injection à impulsion a transformé la structure traditionnelle en céramique revêtue d'un film en une conception innovante à barres métalliques, réduisant d'un ordre de grandeur les exigences de l'aimant d'injection en matière de conditions de vide, résolvant ainsi les difficultés techniques liées à la stabilité de fonctionnement à haute puissance de faisceau et à haute intensité de paquet unique ; l'absorbeur de photons utilise un alliage de cuivre spécial et une structure d'absorption conique à étages, garantissant un refroidissement efficace de la puissance de rayonnement synchrotron et assurant à terme la stabilité à long terme de l'ultravide de l'anneau de stockage.

“Grâce à la promotion globale de l'innovation autonome, le taux de localisation des équipements du collisionneur électron-positon de Beijing après la deuxième mise à niveau a atteint 100 %, et la mise à niveau de l'énergie de l'accélérateur linéaire a été achevée dans le même temps, portant les performances globales au niveau avancé des installations similaires dans le monde.” a déclaré Yu Chenghui.

“Maintenir la position de leader dans la recherche en physique tau-charme”

En sortant du tunnel de l'anneau de stockage, le journaliste s'est rendu dans la salle de contrôle du spectromètre de Beijing. À peine la porte franchie, les trajectoires de particules complexes et colorées sur l'écran de l'ordinateur s'offrirent à ses yeux.

“Ce sont les trajectoires de désintégration des particules microscopiques que notre détecteur capture en continu.” a expliqué Yu Chenghui. Après la mise à niveau, la capacité de collecte d'événements du spectromètre de Beijing a été multipliée par trois, permettant d'enregistrer plus efficacement les signaux de nombreux mésons charmés rares et hadrons exotiques pour une analyse approfondie par les physiciens.

“L'objectif de nouvelles particules qui aurait nécessité 15 ans pour être ‘extrait’ avant la mise à niveau peut désormais être atteint en 5 ans. Grâce à cette mise à niveau, nous pouvons maintenir notre position de leader dans la recherche en physique tau-charme.” a déclaré Yu Chenghui. Autour de cet équipement s'est également constituée une grande collaboration internationale regroupant 15 pays, 96 institutions et plus de 700 scientifiques de premier plan. Dans ce groupe, la Chine est sans conteste le leader : l'élaboration des protocoles expérimentaux, la collecte et l'analyse des données ainsi que la publication des résultats sont pilotées par notre pays.

Les contributions de cet équipement ne se limitent pas à la physique des particules de pointe. Il peut également “servir deux fonctions en une seule machine” : tout en menant des collisions de physique des hautes énergies, les faisceaux d'électrons qui filent dans l'anneau de stockage produisent en continu une lumière synchrotron de haute qualité au service de nombreux utilisateurs. Wei Yanru, de l'IHEP, a expliqué : “Lorsque les électrons changent de direction dans les aimants de courbure, ils émettent des rayons X intenses le long de la tangente, comme un projecteur qui peut éclairer la structure microscopique des échantillons expérimentaux.”

C'est précisément grâce à cette lumière que les chercheurs peuvent observer comment naissent les fissures de fatigue dans les métaux, comment se replient les molécules de protéines, ou si les circuits nanométriques des puces présentent des défauts…… Ces recherches de pointe dépendent toutes de la capacité de pénétration à haute résolution de la lumière synchrotron.

“Après la deuxième mise à niveau, l'intensité lumineuse de l'installation a doublé. Cela signifie que le temps nécessaire aux expériences est réduit de moitié ; l'installation peut désormais soutenir environ un millier de projets expérimentaux d'utilisateurs chaque année, fournissant une plateforme de recherche indispensable dans des domaines tels que la science des matériaux, les sciences de la vie et l'étalonnage des détecteurs, tant au niveau national qu'international.” a déclaré Wei Yanru.

Tourné vers l'avenir, l'équipe d'exploitation continuera à approfondir le potentiel de l'installation, à optimiser davantage la qualité des faisceaux, à ajuster finement les paramètres de fonctionnement, et à s'avancer toujours plus loin dans les profondeurs du monde microscopique pour “percuter” davantage de nouvelles particules inconnues de l'humanité. “Nous avons déjà prouvé que les Chinois sont capables de rivaliser frontalement avec les plus grands au monde dans les domaines les plus avancés de la science fondamentale, et de gagner durablement.” a conclu Yu Chenghui.