Pourquoi les physiciens ont essayé de mettre un furet dans un accélérateur de particules

En février 1971, des physiciens du National Accelerator Laboratory de Batavia, dans l'Illinois, ont commencé à tester la plus grande machine du monde : un accélérateur de particules synchrotron à protons de 200 milliards d'électron-volts (BeV*) en forme d'anneau. Les enjeux étaient élevés. Le directeur du NAL, Bob Wilson, avait déclaré au département américain de l'Énergie qu'il pourrait le faire fonctionner d'ici cinq ans pour 250 millions de dollars, et ils étaient en quatre ans. Ils se sont rapidement heurtés à un problème déroutant : les aimants essentiels à son fonctionnement continuaient de tomber en panne.

La solution low-tech proposée pour ce problème high-tech ? Un furet nommé Felicia.

Mais d'abord, un peu de contexte. Le NAL, aujourd'hui connu sous le nom de Fermilab, du nom du physicien Enrico Fermi, dispose d'une chaîne d'accélérateurs : un accélérateur linéaire (linac), un booster, un anneau recycleur et un anneau injecteur principal. Le linac fournit le faisceau de protons et la secousse initiale d'énergie ; le booster l'accélère ; le recycleur le « batche » en groupes de protons pour un faisceau plus intense ; et l'anneau de l'injecteur principal fait tourner le faisceau des dizaines de milliers de fois à une vitesse proche de celle de la lumière. Les particules sont ensuite envoyées vers diverses installations de test, où elles sont écrasées ensemble ou contre une cible fixe. La collision qui en résulte, observée par un détecteur de particules, révèle leur intérieur et crée parfois des particules exotiques. Ce sont les éléments les plus fondamentaux de l'univers.

En 1971, le design était un peu différent ; d'une part, les bagues d'injection et de recyclage n'existaient pas. Ce qui a fait était un accélérateur à quatre milles à la ronde appelé l'anneau principal. Il était équipé d'aimants, qui guident le faisceau à travers les accélérateurs : "774 aimants dipolaires - qui orientent le faisceau de particules - et 240 aimants quadripolaires - qui focalisent le faisceau", comme l'a rappelé le physicien Ryuji Yamada, qui a conçu l'aimant dipolaire.

Ce ne sont pas des aimants de réfrigérateur : chacun mesure 6 mètres de long et pèse près de 13 tonnes. Au début, seuls deux aimants sont tombés en panne lorsque l'isolant en fibre de verre autour de leurs bobines s'est rompu. Cela est vite devenu deux par jour. Au cours des mois suivants, l'équipe a remplacé 350 aimants.

Pourtant, le 30 juin 1971, ils réussirent à envoyer pour la première fois un faisceau de particules tout autour de l'anneau. En août, ils en ont envoyé un environ 10 000 fois. Mais lorsqu'ils ont essayé d'accélérer les particules au-dessus de sept BeV, les aimants ont court-circuité.

Yamada a finalement compris la cause : des éclats de métal laissés sur place lorsqu'ils ont coupé les tubes à vide. "Ainsi, lorsque les aimants ont été excités dans un champ plus élevé", a-t-il écrit, "ils ont été tirés à l'intérieur de l'entrefer de l'aimant, se sont levés et ont arrêté le faisceau, car ils étaient en matériau légèrement magnétique."

Ils ont dû sortir les éclats. Mais comment?

Robert Sheldon, un ingénieur britannique qui avait été amené au NAL pour trouver "des raccourcis et des idées d'économie d'argent", a suggéré qu'un furet, équipé d'un outil de nettoyage, pourrait faire le travail, trottinant à travers les tubes à vide comme s'il chassait les lapins d'une garenne. "Dans sa partie du Yorkshire, les chasseurs utilisaient des furets", a écrit Frank Beck, ancien chef des services de recherche au Fermilab. "Un furet n'hésiterait pas à courir à l'intérieur du tube en acier inoxydable, même si cela impliquait un long voyage dans l'inconnu."

Le furet est arrivé par livraison spéciale de la Wild Game and Fur Farm à Gaylord, Minnesota. À 15 pouces de long, elle était le plus petit furet qu'ils avaient eu. Sa fourrure était brune et noire à l'exception de taches blanches sur son visage. Ils l'appelaient Félicia. Elle a coûté 35 $.

Ils ont placé un collier personnalisé autour du cou de Felicia et une couche autour de son derrière ; du caca de furet dans un tube arrêterait aussi un proton. Ils ont attaché une ficelle au collier. Félicia devait amener la ficelle d'un bout à l'autre d'un tube. Ensuite, ils attachaient un coton-tige imbibé de nettoyant à la ficelle et le tiraient à travers.

Mais Felicia a refusé d'entrer dans le tube à vide de l'anneau principal. Peut-être était-elle découragée par l'étroite boucle noire sans lumière – elle faisait six kilomètres à la ronde.

Face à un furet récalcitrant, les scientifiques l'ont réaffectée à une section de tubes de 12 pouces de large dans le Meson Lab, une installation d'essai qui était encore en construction. "On lui a appris à se faufiler dans des tunnels de plus en plus longs jusqu'à ce qu'elle soit prête à essayer l'une des sections de 300 pieds qui seront réunies pour fabriquer les tubes du Meson Lab", a noté Time.

Après sa première course, elle a émergé "un peu fatiguée et perplexe mais par ailleurs en assez bonne santé", selon Beck. Elle avait tiré la ficelle jusqu'au bout. Comme prévu, les ouvriers ont tiré l'écouvillon à travers les tubes. Il est sorti couvert de grains de poussière et d'acier.

Les médias ont vite eu vent de ses frasques. Après avoir réussi sept courses, Time s'est demandé si elle devait être récompensée par du maté. Un responsable anonyme a répondu: "Si Felicia tombait enceinte, elle pourrait ne pas passer dans les tubes."

Felicia n'était probablement pas en danger pendant ses courses, dit Valerie Higgins, archiviste et historienne du Fermilab. "Les sections qu'elle a traversées étaient encore en construction, donc je pense qu'elles n'auraient aucun pouvoir à ce stade", dit-elle. "En ce qui concerne le fait de rester coincé ou étouffé : je pense qu'ils se fiaient simplement à l'instinct d'un furet pour explorer les tunnels, donc je ne pense pas qu'elle aurait descendu un tunnel trop petit pour elle."

Le personnel du NAL adorait Felicia, la nourrissant de poulet, de foie, de têtes de poisson et de hamburger cru, son préféré. Certains employés ont même emmené Felicia chez eux pour la nuit lorsque la ferme de visons dans laquelle elle dormait généralement n'avait pas de place pour elle.

Pendant ce temps, l'ingénieur Hans Kautzky a créé un "furet magnétique" pour traiter les débris dans l'anneau principal. Il a attaché une douzaine de disques Mylar à une tige en acier inoxydable, ainsi qu'un câble en acier inoxydable flexible de 700 mètres - l'équivalent de la ficelle de Felicia - et un aimant permanent attirant le métal - la contrepartie du tampon de nettoyage. Il a tiré l'appareil à travers une section de l'anneau principal avec de l'air comprimé. "Avec 12 opérations, nous pourrions faire le tour de l'anneau entier", a écrit Yamada. "De cette façon, nous pourrions nettoyer tout le tuyau d'aspiration, mais pas parfaitement."

Mais cela a assez bien fonctionné, car au cours des mois suivants, l'équipe a régulièrement augmenté les niveaux d'énergie sans court-circuiter le système, et le 1er mars 1972, ils ont fait en sorte que l'accélérateur atteigne l'énergie cible de 200 BeV.

Après une douzaine de passages dans les tubes de Meson Lab - qui, une fois réunis, sont devenus trop longs pour son confort - Felicia est entrée en semi-retraite et a passé la plupart de son temps comme animal de compagnie dans la ferme de visons. Une nuit au printemps suivant, elle se trouvait au domicile de Charles Crose, un employé de la NAL, lorsqu'elle tomba malade. Crose l'a emmenée chez un vétérinaire le lendemain. Sous soins médicaux, elle s'est brièvement ralliée, mais en quelques jours, elle est décédée, le 9 mai 1972. Une autopsie a révélé un abcès rompu dans son tractus intestinal. Le crieur du village a noté: "Il est prévu que le corps de Felicia soit rembourré et monté pour être affiché en permanence comme symbole du développement précoce de NAL."

Mais si Felicia a été empaillée, il n'y a aucune trace. "Je n'ai jamais trouvé de preuves que cela s'est produit, et personne ne se souvient que cela s'est produit", a déclaré Higgins, qui a tenté de retrouver des personnes qui ont travaillé avec Felicia ou qui pourraient avoir plus d'informations sur son sort après sa mort. Elle n'a pas eu de chance. Beaucoup sont morts depuis.

La plupart des artefacts historiques associés au Fermilab se trouvent dans un espace de stockage géré par Higgins. Y a-t-il une chance qu'elle se cache quelque part au fond, au fond d'une étagère ?

"Cela semble très peu probable", dit Higgins. "J'adorerais trouver ça, mais il n'y a pas trop de recoins à ce stade dans lesquels quelqu'un n'est pas allé."

Aujourd'hui, le Fermilab est l'un des 17 laboratoires nationaux et possède plusieurs accélérateurs de particules. Sur les 13 particules subatomiques connues du modèle standard de l'univers - six quarks, six leptons et le boson de Higgs - trois y ont été découvertes : le quark bottom en 1977, le quark top en 1995 et le neutrino tau en 2000.

Le complexe d'accélérateurs fonctionne 24 heures sur 24, toute l'année, à l'exception de quelques périodes planifiées où il est fermé pour maintenance, selon André Salles, porte-parole du Fermilab. C'est alors que les tubes peuvent être nettoyés. Pour les sections plus courtes, les opérateurs de l'accélérateur attachent un chiffon à un long bâton et le font passer. S'il s'agit d'un long tunnel, ils utilisent la méthode rendue célèbre par Felicia : "Ils utilisent généralement une sorte de ficelle", explique Salles, "et tirent simplement l'écouvillon à travers".

* Mise à jour : Aujourd'hui, le GeV, pour les gigaélectron-volts, est plus couramment utilisé pour cette unité.