Caitlin Gainey et certains de ses amis de Yale ont passé l’été en Europe à faire de la randonnée dans les montagnes, à se promener dans les villes médiévales et à rechercher des collisions de particules subatomiques que peu d’humains ont vues.

Gainey, un étudiant senior du Yale College étudiant l’astrophysique, ainsi que ses collègues seniors de Yale Dawson Thomas, Matthew Murphy et Alexandra Haslund-Gourley, ont mené des recherches critiques dans l’un des principaux centres de physique au monde: le Large Hadron Collider en CERN (l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire), située à la périphérie de Genève, en Suisse. Ils faisaient partie d’une équipe scientifique dirigée par Sarah Demers, professeur de physique à la Yale School of Arts and Sciences.

Les Grand collisionneur de hadrons Le plus grand accélérateur de particules au monde, installé dans un complexe souterrain géant, a été redémarré au milieu de l’été après quatre ans de mises à niveau. Les physiciens utilisent l’installation pour tester des théories sur les lois fondamentales de la physique, de la composition de l’espace et du temps à la relation entre la mécanique quantique et la relativité générale.

Le travail des étudiants de Yale consistait à analyser les collisions de tests de particules subatomiques, à rechercher des particules spécifiques telles que les bosons Z et les particules J/Psi, et à créer des présentations visuelles des collisions. Le travail impliquait une grande quantité de connaissances en physique, de codage informatique et d’expertise graphique.

Un exemple d’événement de collision de particules affiche des étudiants de Yale créés, sur la base des données du grand collisionneur de hadrons du CERN.

Sa visite a coïncidé avec le 10la anniversaire de la découverte du boson de Higgs, une particule fondamentale de l’ordre de l’électron ou du quark, un jalon célébré par les scientifiques du CERN en juillet. Au cours du même mois, le CERN a annoncé la découverte de trois nouvelles particules, un pentaquark et deux tétraquarks, à l’aide d’un faisceau d’accélérateur plus puissant.

Des écrans d’événements créés par des étudiants de Yale, illustrant des collisions de particules spécifiques, constituaient une partie importante de l’annonce.

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« C’était une période passionnante d’être au CERN, et ces étudiants étaient au cœur de l’expérience », a déclaré Demers, chercheur associé au CERN, collaborateur du Expérience ATLAS au LHC, et membre de l’équipe de recherche internationale qui a découvert le boson de Higgs (avec ses collègues physiciens de Yale, Keith Baker et Paul Tipton).

« Je suis incroyablement impressionnée par ce qu’ils ont accompli », a-t-elle déclaré.

Alexandra Haslund-Gourley, Matthew Murphy, Dawson Thomas, Caitlin Gainey et Gianantonio Pezzullo
De gauche à droite, Alexandra Haslund-Gourley, Matthew Murphy, Dawson Thomas, Caitlin Gainey et l’associé postdoctoral de Yale Gianantonio Pezzullo.

rencontrer l’équipe

Le quatuor de physiciens du Yale College est arrivé en Suisse en mai, avec une variété de capacités scientifiques et d’intérêts de recherche.

Haslund-Gourley, originaire de Santa Barbara, en Californie, est passionné de physique depuis l’école primaire. Il a précédemment effectué un stage en physique dans les installations du Fermilab dans la banlieue de Chicago et anime un podcast scientifique, « Extended Office Hours », sur Spotify.

Thomas, originaire de la banlieue d’Atlanta, étudie la physique et les mathématiques, avec un intérêt particulier pour l’utilisation de méthodes d’apprentissage automatique géométriques et topologiques pour explorer la physique des particules.

Gainey, comme Haslund-Gourley, a grandi à Santa Barbara. Il avait déjà travaillé dans trois laboratoires scientifiques pendant son séjour à Yale : deux d’entre eux étaient des laboratoires axés sur la recherche astronomique et un travaillait sur la physique des particules. Son intérêt de recherche est d’appliquer les techniques de la science des données aux deux domaines.

Murphy, membre de l’équipe d’aviron de Yale de Portland, Oregon, n’avait aucune expérience antérieure dans le laboratoire avant d’envoyer un e-mail à Demers, son ancien professeur à PHYS 200, pour lui demander des opportunités de recherche dans le laboratoire de son campus. . Elle lui a dit qu’il pouvait faire ça, ou qu’il pouvait simplement venir en Suisse.

« C’était la première fois que je menais une enquête », a déclaré Murphy. « Je ne savais pas à quoi m’attendre. »

Ils sont arrivés dans leur appartement loué à la périphérie de Genève lors d’un violent orage dans la troisième semaine de mai. Ses fouilles n’étaient qu’à 10 minutes en train du CERN.

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Avec Demers en tête, ils se sont rapidement mis au travail.

Ce pays magique

Les étudiants de premier cycle de Yale sont entrés sur la scène du CERN au milieu d’une vague d’activités. Le Large Hadron Collider, qui a démarré en 2008, entamait sa troisième série étendue de collisions de particules avec une série de collisions tests.

Leur tâche était double : sélectionner des « événements » de collision intéressants à partir des premières données qui indiqueraient si le détecteur fonctionnait correctement, et développer des affichages visuels de ces événements, montrant les particules et les dépôts d’énergie de l’accélérateur.

Ils ont passé des semaines à se familiariser avec le fonctionnement du Large Hadron Collider lui-même, puis à se familiariser avec les outils informatiques qu’ils utiliseraient pour accéder aux données de test et écrire du code pour identifier les événements de collision candidats.

« Je me souviens m’être assis dans l’appartement avec Dawson un vendredi soir à la mi-juin, en train d’écrire un code qui ne fonctionnait pas tout à fait », a déclaré Murphy. « Puis tout d’un coup, ça a commencé à fonctionner parfaitement. C’était incroyable ».

« Je me suis senti très chanceux », a déclaré Haslund-Gourley. « J’ai grandi en voulant toujours travailler au CERN, ce pays magique où les physiciens découvrent les forces et les particules qui composent l’univers. »

Le 5 juillet, des étudiants ont été témoins des premières collisions à l’aide du « faisceau stable » du collisionneur, qui a atteint un niveau d’énergie sans précédent de 13,6 TeV (tera électron-volts). Ils ont regardé un flux en direct de collisions, écouté de la musique et attendu pour exécuter leur code.

« Une fois que nous avons commencé, c’était une course contre la montre, certains des meilleurs physiciens du monde examinant tout ce que nous faisions », a déclaré Gainey.

« C’était une sorte de pression excitante », a déclaré Thomas. « Ils avaient besoin des écrans d’événement dès que possible. »

L’une de ses premières visualisations a été utilisée presque immédiatement lors d’une conférence scientifique pour la Conférence internationale sur la physique des hautes énergies de 2022. En fait, c’était la première diapositive de la présentation.

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« C’était incroyablement validant », a déclaré Haslund-Gourley.

Un travail bien fait

Au dire de tous, le travail du groupe a été couronné de succès.

« Nos étudiants ont identifié les seuls candidats accessibles au public pour les vitrines d’événements ATLAS et ont été régulièrement remerciés et mis en évidence dans des présentations de toute la collaboration », a déclaré Demers.

Outre les projets qui leur ont été confiés, les étudiants ont déclaré avoir aimé être immergés dans un environnement scientifique intense loin de chez eux. Haslund-Gourley, par exemple, s’est dite inspirée par la nature internationale des collaborations au CERN ; Thomas était heureux d’avoir eu l’occasion de rencontrer certains des physiciens qu’il idolâtrait de « Particle Fever », le documentaire de 2013 qui l’avait inspiré à poursuivre la physique en premier lieu.

Les élèves ont pris un goûter lors d'une randonnée en montagne.
Les élèves ont pris un goûter lors d’une randonnée en montagne.

Pendant leur temps libre, les étudiants ont fait de la randonnée dans les montagnes du Jura, visité des villages rustiques en France et exploré les sites de Vienne, Budapest, Munich et Berne. Il y avait aussi de nombreuses occasions de goûter à la cuisine locale.

« Beaucoup de pain a été consommé », a déclaré Gainey.

Quant à l’avenir, Gainey a déclaré qu’il poursuivra son travail au CERN à Yale cette année, ce qui en fera la base de son projet senior. Thomas, quant à lui, pense avoir trouvé une manière « fortuite » d’appliquer les méthodes topologiques d’apprentissage automatique à la physique des particules.

Haslund-Gourley, pour sa part, s’est inspirée de la science des données et des techniques d’apprentissage automatique utilisées pour traiter les données de collision au CERN et espère appliquer des techniques d’analyse similaires aux données neurologiques.

Et Murphy ? Après un été au CERN, il dit qu’il a la piqûre de la recherche. « Je ne me suis jamais senti stressé », a-t-il déclaré. «Nous avons tous traîné, fait notre travail et fait en sorte que ça marche. Je sais que je continuerai à travailler au CERN pour ma thèse.