Rendre l'invisible visible

Laura Baudis, physicienne des astroparticules, cherche la matière cachée

La recherche de la matière noire est l'un des "sujets brûlants" actuels de la physique des particules élémentaires. Récemment, de puissants détecteurs ont été mis au point, qui pourraient permettre de détecter expérimentalement les composants de cette matière "noire", invisible. Laura Baudis, professeur de physique à l'université de Zurich, a largement contribué au développement de cette infrastructure de recherche au cours des vingt dernières années.

Prof. Laura Baudis (Uni. of Zurich) at the TEDxCERN event 2016

C'est en 1988 que le monde s'est soudainement arrêté pour Laura Baudis. Cette fille d'un couple d'enseignants avait alors 18 ans et venait d'obtenir sa maturité (baccalauréat) dans la ville roumaine de Timisoara. Ailleurs, toutes les portes lui auraient été ouvertes, mais dans la Roumanie communiste, elle n'avait le droit ni d'étudier ni de travailler. En effet, ses parents avaient demandé peu de temps auparavant l'autorisation de quitter le pays pour l'Ouest. Mais dans la Roumanie socialiste, une telle demande de quitter le pays équivalait à la perte d'une perspective de vie dans son propre pays : les parents ont été transférés de l'enseignement au département administratif d'une mine, et leur fille Laura a été interdite d'études et de travail.

À peine deux ans plus tard, en février 1990, la famille quitte le pays. Entre-temps, le peuple roumain s'était soulevé contre l'État à parti unique ; le jour de Noël 1989, le dirigeant Nicolae Ceausescu et sa femme ont été exécutés. "Mes parents envisageaient de rester en Roumanie après la révolution, mais je voulais enfin partir après deux années d'attente, et c'est ce que nous avons fait." Les parents ont emmené Laura et ses deux jeunes frères et sœurs en Allemagne, où vivait la sœur de leur mère. Après avoir passé du temps dans plusieurs camps, les "émigrés" ont trouvé un nouveau foyer près de Heidelberg.

Via Standford et Aix-la-Chapelle à Zurich

"J'ai eu une enfance heureuse", se souvient Laura Baudis, qui a grandi dans un foyer lettré. Avec sa mère germanophone, elle a traduit des poèmes de poètes roumains tels que Paul Celan et Ana Blandiana. Grâce à son père, qui enseignait le français, elle a fait la connaissance d'existentialistes tels que Sartre, Camus et Simone de Beauvoir. Outre la littérature, une deuxième passion a germé à cette époque : "Les mathématiques étaient mon grand amour à l'école", se souvient celle qui a aujourd'hui 51 ans. En tant qu'élève, elle a fréquenté un lycée axé sur les mathématiques, la physique et l'informatique. Après avoir déménagé en Allemagne, elle a rattrapé sa 13e année et a décidé d'étudier la physique à Heidelberg.

Désormais, rien ne semble pouvoir ralentir sa carrière de scientifique : Après avoir étudié et obtenu son doctorat à l'université de Heidelberg, elle a rejoint l'université de Stanford (Californie) en tant que postdoc en 2000. En 2003, elle a accepté un poste de professeur adjoint à l'université de Floride à Gainesville. Lorsque la physicienne et son mari envisagent de retourner en Europe trois ans plus tard, on lui propose des chaires à l'université RWTH d'Aix-la-Chapelle, à l'université de Bonn et à l'université de Zurich. En 2007, après une escale à Aix-la-Chapelle, Laura Baudis est devenue professeure de physique à l'université de Zurich (UZH), tandis que son mari – formé en médecine et titulaire d'un doctorat en cytogénétique moléculaire – a créé un groupe de recherche en bioinformatique dans la même université et occupe aujourd'hui également un poste de professeur. "Vous n'êtes pas un problème de double carrière, vous êtes une opportunité de double carrière pour nous", a déclaré Michael O. Hengartner, futur recteur de l'UZH, en accueillant les nouveaux arrivants à Zurich.

Thèse de doctorat sur la recherche sur les neutrinos

Nathan, leur fils, avait maintenant huit ans, leur fille Naima quatre. "A Standford, nous avions un programme extrascolaire sur le campus ; en Europe, mes parents nous soutenaient", raconte Laura Baudis. "Mon mari et moi avons toujours partagé les tâches parentales et l'éducation des enfants, tout comme mes parents le faisaient, qui travaillaient également tous les deux. En Roumanie, après tout, toutes les femmes travaillaient, une facette de la vie communiste dont je n'ai vraiment pris conscience que plus tard."

C'est en 1999, à l'âge de 30 ans, que Laura Baudis a eu son premier enfant et son doctorat, comme elle l'avait prévu. Elle a ainsi jeté les bases de sa famille et de sa carrière scientifique. Dans sa thèse de doctorat, elle s'était consacrée à la recherche sur les neutrinos. Elle a étudié une désintégration radioactive hypothétique une "double désintégration bêta sans neutrino". Elle a notamment développé le concept d'un détecteur de neutrinos, tel qu'il a été construit sous une forme modifiée peu de temps après au laboratoire du Gran Sasso en Italie avec l'expérience GERDA.

Une série de détecteurs développés

Même lorsqu'elle était doctorante, le physicienne spécialiste des astroparticules a travaillé sur la matière noire – une forme de matière supposée remplir l'univers, mais pour la détection de laquelle l'humanité a jusqu'à présent manqué d'équipement approprié. Dans les années 1990, les scientifiques ont cherché de nouveaux moyens de détecter cette matière. En 2006, une petite collaboration de recherche impliquant Laura Baudis a donné lieu à l'expérience XENON10 au laboratoire souterrain de Gran Sasso, au nord-est de Rome. Sous les noms de XENON100, XENON1T et XENONnT, une série d'autres expériences ont suivi dans les années qui ont suivi, toujours plus grandes et toujours plus sensibles. XENONnT commence les mesures ces jours-ci, et les premiers résultats sont attendus à la fin de l'année.

"Je suis fier d'avoir pu contribuer au développement de la technologie des détecteurs XENON. Il y a une bonne vingtaine d'années, nous avons commencé petit. Aujourd'hui, nous construisons de grands détecteurs qui fonctionnent de manière stable et qui atténuent les interférences comme aucune autre expérience de ce type", explique Laura Baudis. La maîtrise des interférences est une condition préalable essentielle pour avoir une chance de détecter les particules cachées de la matière noire. Pour y parvenir, il a fallu faire preuve d'une grande excellence scientifique dans la conception et la sélection des matériaux appropriés. Le groupe de Baudis s'est notamment concentré sur le détecteur interne, un conteneur rempli de xénon, un gaz noble, dans lequel les particules recherchées - on l'espère - laissent des traces de lumière qui peuvent être détectées par des photodétecteurs très sensibles. Le groupe de recherche de Baudis est également à la pointe de l'électronique de lecture et de l'analyse des données.

En attendant la grande découverte

Laura Baudis a consacré une bonne vingtaine d'années à la recherche de candidats à la matière noire tels que les WIMPs et les axions, sans succès jusqu'à présent. "Lorsque nous avons mis en service le détecteur XENON100 en 2008, nous pensions avoir de bonnes chances – sur la base de prédictions théoriques – de l'utiliser pour découvrir les éléments constitutifs de la matière noire, mais nous avions tort." Laura Baudis ne se laisse pas décourager par l'absence de preuves directes jusqu'à présent. Elle reste optimiste et fonde ses espoirs sur la prochaine expérience. "Même si nous n'avons pas trouvé les particules jusqu'à présent, cela ne signifie pas que nous n'avons rien trouvé. Au contraire, nous savons de mieux en mieux où chercher exactement les particules. En outre, nos détecteurs fournissent des informations importantes pour d'autres domaines de recherche tels que la physique des neutrinos."

Il n'y a pas de doute : toute personne qui étudie les lois des particules élémentaires a besoin de beaucoup d'endurance. Cela est particulièrement vrai pour une question de recherche aussi fondamentale que la détection de la matière noire, à laquelle Laura Baudis et sa collaboration de recherche travaillent. Au cas où l'expérience XENONnT ne détecterait pas de nouvelles particules, l'expérience DARWIN qui lui succédera est déjà en cours de planification. Laura Baudis a contribué à la conception de cette expérience, qu'elle représente à l'extérieur en tant que porte-parole. DARWIN est pour ainsi dire la dernière chance, après quoi le concept de détecteur sera épuisé car l'interférence des neutrinos sera si importante qu'il ne sera plus possible de détecter la matière noire. Ce sont des contraintes auxquelles un chercheur comme Laura Baudis doit parfois faire face. "Quand le travail m'en demande trop, j'aime lire un poème. C'est une merveilleuse façon de se déconnecter."

Auteur: Benedikt Vogel

Portrait #5 de Femmes de science dans les disciplines MAP (2021)

  • Prof. Laura Baudis fait partie de ces physiciennes qui non seulement mènent des recherches de pointe, mais ont également le don de communiquer efficacement leurs résultats à un large public. Sur la photo : participation à une conférence TED au CERN.
  • "J'aime beaucoup enseigner et je suis heureuse lorsque je peux susciter la fascination des étudiants pour un sujet", déclare Laura Baudis, professeure d'université.
  • Laura Baudis en tant que chercheuse dans son élément : assemblage du détecteur interne de l'expérience XENON1T dans le laboratoire de l'Université de Zurich.
  • Prof. Laura Baudis fait partie de ces physiciennes qui non seulement mènent des recherches de pointe, mais ont également le don de communiquer efficacement leurs résultats à un large public. Sur la photo : participation à une conférence TED au CERN.Image : TEDxCERN1/3
  • "J'aime beaucoup enseigner et je suis heureuse lorsque je peux susciter la fascination des étudiants pour un sujet", déclare Laura Baudis, professeure d'université.Image : Jos Schmid2/3
  • Laura Baudis en tant que chercheuse dans son élément : assemblage du détecteur interne de l'expérience XENON1T dans le laboratoire de l'Université de Zurich.Image : Baudis Group, UZH3/3
Laura Baudis (UZH) présente un livre très spécial.

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