Dans un événement simulé, la trace d’une particule de désintégration appelée muon (rouge), légèrement déplacée du centre des collisions de particules, pourrait être le signe d’une nouvelle physique.
EXPÉRIENCE ATLAS © 2019 CERN
De nouvelles particules se matérialisent-elles juste sous le nez des physiciens et passent-elles inaperçues ? Le grand briseur d’atomes du monde, le Large Hadron Collider (LHC), pourrait fabriquer des particules à longue durée de vie qui passent à travers ses détecteurs, affirment certains chercheurs. La semaine prochaine, ils se réuniront au siège du LHC, le CERN, le laboratoire européen de physique des particules situé près de Genève, en Suisse, pour discuter de la manière de les capturer. Ils affirment que le prochain passage du LHC devrait mettre l’accent sur ces recherches, et certains réclament de nouveaux détecteurs qui pourraient renifler les particules fugitives.
C’est une poussée née de l’anxiété. En 2012, les expérimentateurs du LHC, doté d’un budget de 5 milliards de dollars, ont découvert le boson de Higgs, la dernière particule prévue par le modèle standard des particules et des forces, et la clé pour expliquer comment les particules fondamentales obtiennent leurs masses. Mais le LHC n’a encore rien découvert au-delà du modèle standard. « Nous n’avons pas trouvé de nouvelle physique avec les hypothèses de départ, alors peut-être devons-nous changer les hypothèses », déclare Juliette Alimena, physicienne à l’Université d’État de l’Ohio à Columbus, qui travaille avec le Compact Muon Solenoid (CMS), l’un des deux principaux détecteurs de particules alimentés par le LHC.
Depuis des décennies, les physiciens s’appuient sur une stratégie simple pour rechercher de nouvelles particules : Fracasser ensemble des protons ou des électrons à des énergies toujours plus élevées pour produire de nouvelles particules lourdes et les regarder se désintégrer instantanément en particules plus légères et familières à l’intérieur des énormes détecteurs en forme de tonneau. C’est ainsi que CMS et son rival, ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus), ont repéré le boson de Higgs, qui, en un trillionième de nanoseconde, peut se désintégrer, entre autres, en une paire de photons ou en deux « jets » de particules plus légères.
Les particules à longue durée de vie, cependant, traversent une partie ou la totalité du détecteur avant de se désintégrer. Cette idée est plus qu’un coup dans l’eau, dit Giovanna Cottin, théoricienne à l’Université nationale de Taiwan à Taipei. « Presque tous les cadres de la physique au-delà du modèle standard prévoient l’existence de particules à longue durée de vie », dit-elle. Par exemple, un schéma appelé supersymétrie postule que chaque particule du modèle standard a un superpartenaire plus lourd, dont certains pourraient avoir une longue durée de vie. Les particules à longue durée de vie apparaissent également dans les théories du « secteur sombre » qui envisagent des particules indétectables qui n’interagissent avec la matière ordinaire que par le biais de particules « hublots », comme un photon sombre qui, de temps à autre, remplacerait un photon ordinaire dans une interaction entre particules.
CMS et ATLAS, cependant, ont été conçus pour détecter les particules qui se désintègrent instantanément. Comme un oignon, chaque détecteur contient des couches de sous-systèmes – des traqueurs qui suivent les particules chargées, des calorimètres qui mesurent l’énergie des particules et des chambres qui détectent les particules pénétrantes et particulièrement maniables appelées muons – tous disposés autour d’un point central où les faisceaux de protons de l’accélérateur entrent en collision. Les particules qui volent ne serait-ce que quelques millimètres avant de se désintégrer laisseraient des signatures inhabituelles : des traces coudées ou décalées, ou des jets qui émergent progressivement au lieu de tous en même temps.
L’analyse standard des données suppose souvent que ces bizarreries sont des erreurs et des déchets, note Tova Holmes, un membre d’ATLAS de l’Université de Chicago dans l’Illinois qui recherche les traces déplacées des désintégrations de particules supersymétriques à longue durée de vie. « C’est un peu un défi parce que la façon dont nous avons conçu les choses, et le logiciel que les gens ont écrit, rejette fondamentalement ces choses », dit-elle. Holmes et ses collègues ont donc dû réécrire une partie de ce logiciel.
Le plus important est de s’assurer que les détecteurs enregistrent les événements bizarres en premier lieu. Le LHC écrase des paquets de protons ensemble 40 millions de fois par seconde. Pour éviter une surcharge de données, les systèmes de déclenchement de CMS et d’ATLAS font le tri entre les collisions intéressantes et celles qui ne le sont pas et éliminent immédiatement les données relatives à 19 999 collisions sur 20 000. Ce tri peut entraîner l’élimination involontaire de particules à longue durée de vie. Alimena et ses collègues voulaient rechercher des particules qui vivent suffisamment longtemps pour rester coincées dans le calorimètre de CMS et ne se désintégrer que plus tard. Ils ont donc dû mettre en place un déclencheur spécial qui lit occasionnellement l’ensemble du détecteur entre les collisions de protons.
Les recherches de particules à longue durée de vie avaient été des efforts marginaux, déclare James Beacham, un expérimentateur ATLAS de l’Université Duke à Durham, en Caroline du Nord. « Ça a toujours été un seul gars qui travaillait sur ce truc », dit-il. « Votre groupe de soutien, c’était vous dans votre bureau ». Désormais, les chercheurs unissent leurs forces. En mars, 182 d’entre eux ont publié un livre blanc de 301 pages sur la façon d’optimiser leurs recherches.
Certains souhaitent qu’ATLAS et CMS consacrent davantage de déclencheurs à la recherche de particules à longue durée de vie lors du prochain run du LHC, de 2021 à 2023. En fait, le prochain passage « est probablement notre dernière chance de rechercher des événements rares inhabituels », déclare Livia Soffi, membre de CMS à l’université Sapienza de Rome. Par la suite, une mise à niveau augmentera l’intensité des faisceaux du LHC, ce qui nécessitera des déclencheurs plus serrés.
D’autres ont proposé une demi-douzaine de nouveaux détecteurs pour rechercher des particules à la durée de vie si longue qu’elles échappent complètement aux détecteurs existants du LHC. Jonathan Feng, théoricien à l’Université de Californie à Irvine, et ses collègues ont obtenu l’approbation du CERN pour l’expérience FASER (Forward Search Experiment), un petit traqueur qui sera placé dans un tunnel de service à 480 mètres de la ligne de faisceau d’ATLAS. Soutenu par 2 millions de dollars de fondations privées et construit à partir de pièces empruntées, FASER recherchera des particules de faible masse telles que des photons sombres, qui pourraient jaillir d’ATLAS, filer à travers la roche intermédiaire et se désintégrer en paires électron-positron.
Une autre proposition prévoit une chambre de poursuite dans un hall vide à côté du LHCb, un détecteur plus petit alimenté par le LHC. Le Compact Detector for Exotics at LHCb rechercherait les particules à longue durée de vie, en particulier celles nées dans les désintégrations de Higgs, explique Vladimir Gligorov, membre du LHCb au Laboratoire de physique nucléaire et des hautes énergies à Paris.
Plus ambitieux encore serait un détecteur appelé MATHUSLA, essentiellement un grand bâtiment vide en surface au-dessus du détecteur CMS souterrain. Des chambres de suivi situées au plafond détecteraient les jets provenant de la désintégration de particules à longue durée de vie créées 70 mètres plus bas, explique David Curtin, théoricien à l’université de Toronto au Canada et co-directeur du projet. David Curtin est « optimiste » quant au coût de MATHUSLA, qui devrait être inférieur à 100 millions d’euros. « Étant donné qu’il est sensible à cette large gamme de signatures – et que nous n’avons rien vu d’autre – je dirais que c’est une évidence. »
Les physiciens ont le devoir de rechercher les particules bizarres, dit Beacham. « Le scénario de cauchemar, c’est que dans 20 ans, Jill Theorist dise : « La raison pour laquelle vous n’avez rien vu, c’est que vous n’avez pas conservé les bons événements et que vous n’avez pas fait la bonne recherche. » »
*Correction, 23 mai, 12h25 : L’histoire a été mise à jour pour corriger les taux auxquels le LHC fait entrer en collision des grappes de protons et les détecteurs enregistrent les événements, et pour refléter la véritable affiliation de James Beacham.