Le seigneur des données

Quand il s’agit d’explorer la nature, mieux vaut ne pas craindre les grands jeux de données. Stefan Ritt est bien placé pour le savoir. Le responsable du groupe de recherche Physique des muons au PSI est confronté à d’énormes quantités de données: «Dans la deuxième phase de développement de l’expérience Mu3e, nous mesurons deux milliards de désintégrations de muons par seconde. Cela représente 200 gigaoctets par seconde, ou de quoi remplir un disque dur normal en moins d’une minute.»

Stefan Ritt et son équipe fouillent des montagnes de données pour y dénicher des réactions qui ne devraient en principe pas exister – du moins pasd’après le modèle standard de la physique des particules. Mais depuis longtemps déjà, de nombreux indices laissent penser que ce modèle est incomplet. Si les scientifiques parviennent à démontrer que la désintégration «Mu3e», c’est-à-dire la désintégration du muon en deux positrons et un électron, existe réellement, ils ouvriront la porte sur un volet inconnu et mystérieux de la physique. Peut-être parviendront-ils aussi à savoir de quoi est concrètement constitué un quart de la matière dans l’univers, que nous ne connaissons que comme «matière noire».

Deux cents pyramides de Khéops et une aiguille

Mais avant de pouvoir observer la désintégration des muons, les scientifiques doivent d’abord produire ces particules volatiles, en grande quantité et en flux continu. Au PSI, elles sont produites par la Source de Muons Suisse SμS (prononcé: es-mü-es) et par l’Infrastucture Suisse pour la Physique des Particules CHRISP qui projettent violemment les protons, c’est-à-dire des noyaux d’hydrogène, sur des cibles (ou targets). La violence du choc produit les muons, qui sont en quelque sorte des parents lourds des électrons. Les particules élémentaires vivent alors juste assez longtemps pour les guider, à l’aide d’aimants, dans des appareils de mesure, où les physiciennes et physiciens les arrêtent afin d’observer leur désintégration.

Actuellement, l'installation du PSI produit environ cent millions de muons par seconde pour une seule expérience. Cela en fait la source de muons continue la plus puissante au monde. Toutefois, sur un billion de désintégrations «autorisées», il ne devrait pas se produire plus d’une seule désintégration Mu3e: «On est bien au-delà de l’image de l’aiguille dans une botte de foin», affirme Stefan Ritt. «A moins que l’on parvienne à imaginer un tas de foin de la taille de deux cents pyramides de Khéops.»

MIDAS – tout à la même adresse

Pour traiter de telles quantités de données, il ne faut pas seulement des installations performantes, mais aussi le bon logiciel. Alors qu’il était encore jeune physicien, Stefan Ritt a justement développé lui-même celui dont il avait besoin. Il l’a baptisé MIDAS, pour «Maximum Integration Data Acquisition System». «Avec le logiciel qui était à notre disposition à l’époque, quatre ou cinq systèmes fonctionnaient en parallèle», se souvient le physicien. «Cela ne me convenait pas. Je voulais un outil réunissant toutes les données dans une seule et même base de données.»

MIDAS repose sur une idée simple: tout à la même adresse. Stefan Ritt a achevé la première version de son logiciel en 1996. Celle-ci était encore pilotée par des lignes de commandes. Aujourd’hui, tout fonctionne avec des interfaces graphiques modernes et même avec un smartphone. MIDAS est compatible avec tous les systèmes d’exploitation courants et indépendamment du matériel. C’est d’ailleurs la principale raison pour laquelle, 30 ans plus tard, il est toujours largement utilisé, et bien au-delà du PSI. Des centres de recherche en Europe, au Japon et aux Etats-Unis l’ont eux aussi adopté. «MIDAS est si stable que des centaines de mégaoctets peuvent transiter chaque seconde par des dizaines d’ordinateurs pendant des mois sans poser le moindre problème au programme.»

Par ailleurs, le logiciel est extrêmement souple. Près de 300 lignes de code suffisent pour l’adapter à une nouvelle expérience – les 300 000 autres lignes restent identiques.

«Comprendre la nature et pouvoir la calculer, c’est cool!»

Stefan Ritt a l’électronique et les logiciels dans le sang. Enfant, son père électronicien lui apprend la technique du brasage. Et alors qu’il est encore à l’école, il développe avec un ami un système de commande par micro-ordinateur pour télescopes, bien avant que cela ne devienne la norme chez les astronomes amateurs. Stefan Ritt n’a pourtant pas choisi de devenir ingénieur en informatique; il a préféré étudier la physique à l’université de Karlsruhe: «Un jour, un professeur nous a montré comment, en calculant la force élastique et la trajectoire parabolique, on pouvait envoyer d’un seul coup une bille métallique dans un verre d’eau. On pouvait donc comprendre la nature et calculer des choses qui se produisaient effectivement. J’ai trouvé ça très cool.»

C’est son professeur à Karlsruhe qui lui a ouvert les portes de la physique des particules. En 1988, Stefan Ritt fait un stage au PSI, où il se penche pour la première fois sur la saisie des données résultant d’une expérience moderne. «C’est là que tout a commencé. J’ai été séduit par la combinaison de recherche fondamentale et de technique, de développement dans le domaine de l’électronique et des logiciels, tout cela dans le cadre d’expériences réellement à la pointe de la technologie.»

L’intérêt de la physique «interdite»

L’une de ces expériences s’intéressait, comme Mu3e, à une désintégration «interdite» des muons, qui ne devrait pas exister selon le modèle standard. Dans le cadre de l’expérience MEG, Stefan Ritt et son équipe se sont mis en quête de la désintégration exotique d’un muon en un électron et une particule de lumière. Ils ne l’ont pas trouvée, mais ont réalisé la mesure la plus précise à ce jour. «Après quinze ans, nous pouvons exclure de nombreuses nouvelles théories qui vont au-delà du modèle standard. Nous ne mesurons donc pas seulement «zéro», mais un seuil inférieur important.»

Mu3e, l’expérience suivante, est mise en place depuis 2012. Stefan Ritt s’attend à recevoir les premières données à partir de l’automne. Il est prévu que Mu3e s’arrête à fin 2027, lorsque débutera IMPACT, le grand projet du PSI. D’ici deux ans, deux nouvelles stations cibles devraient voir le jour et être capables de produire un faisceau de muons dont le débit sera multiplié par dix.

Le pôle de recherche national (PNR) Muoniverse, lancé en début d’année sous la conduite du PSI, viendra s’y ajouter. Ces prochaines années, d’autres infrastructures verront le jour afin de permettre, entre autres, d’utiliser les muons pour l’étude des matériaux, le développement de nouveaux matériaux quantiques ou même l’archéologie. IMPACT et Muoniverse vont ainsi asseoir le rôle de leader du PSI dans la physique des muons pour de nombreuses années. Naturellement, le logiciel MIDAS de Stefan Ritt jouera un rôle central dans ce contexte: «De nombreux sous-projets de Muoniverse nécessitent de saisir des données, raison pour laquelle je prodigue des conseils à tous les groupes et les soutiens aussi directement.»

À la question de savoir comment il a pu, avec l’aide d’une petite équipe, continuer à développer ce logiciel unique pendant plus de 30 ans sans jamais voir sa motivation diminuer, le physicien a une réponse claire: «Grâce aux expériences. Savoir que mes logiciels aident notre équipe au PSI, mais aussi des collègues du monde entier à progresser dans l’étude de la physique et à obtenir des résultats importants est tout ce qui compte à mes yeux!»