Pour la première fois, des chercheurs utilisant le détecteur Compact Muon Solenoid (CMS) au Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN à Genève, en Suisse, ont expérimenté une approche novatrice pour rechercher des signes de « nouvelle physique » — des phénomènes échappant au Modèle Standard et restant inexpliqués.
Ils se sont concentrés sur la détection des « motifs d’énergie douce non regroupés », des signaux énergétiques subtils qui ne se forment pas en groupes de particules clairs, et qui sont prévus par des théories élargissant notre compréhension actuelle de la physique des particules.
« Les motifs d’énergie douce non regroupés sont captivants car ils ne représentent pas simplement une idée ou une prédiction particulière d’une nouvelle particule, mais décrivent les types de schémas que l’on pourrait observer provenant d’une large nouvelle catégorie d’idées », a déclaré Daniel Whiteson, professeur de physique à l’Université de Californie, Irvine, qui n’était pas impliqué dans l’étude. « Toute théorie physique qui propose de nouvelles particules interagissant fortement entre elles mais pas avec nos particules produirait ces motifs. »
Selon ces théories, ces motifs pourraient provenir de la désintégration de particules inhabituelles agissant comme un pont entre l’univers observable et un royaume caché théorique, parfois appelé « vallée cachée » ou secteur sombre. Ce domaine secret pourrait expliquer des phénomènes mystérieux, tels que la matière noire, qui constitue une grande partie de l’univers mais reste invisible pour nous.
Qu’est-ce que la vallée cachée ?
Le Modèle Standard est une théorie remarquablement réussie, expliquant le comportement des particules fondamentales connues, telles que les électrons, les quarks et les neutrinos, ainsi que leurs interactions via les forces électromagnétiques, faibles et fortes. Elle a été largement validée à travers des expériences en accélérateur et d’autres tests en laboratoire, prédisant avec précision un large éventail de phénomènes.
Cependant, elle ne traite pas d’observations astronomiques et cosmologiques clés, telles que l’existence et les propriétés de la matière noire et de l’énergie noire. Ces composants mystérieux représentent environ 95 % de l’univers — la matière noire étant supposée fournir le lien gravitationnel maintenant les galaxies ensemble, tandis que l’énergie noire provoque l’expansion accélérée de l’univers.
De plus, le Modèle Standard n’incorpore pas la gravité — la quatrième force fondamentale — dans son cadre théorique. La gravité, très différente des autres forces mentionnées, a été décrite par la théorie de la relativité générale d’Einstein, qui se concentre sur la courbure de l’espace et du temps plutôt que sur les interactions des particules. Cette différence a rendu son intégration dans le Modèle Standard complexe.
Étant donné que le Modèle Standard ne peut expliquer des concepts comme la matière noire, l’énergie noire ou la gravité, il suggère que notre compréhension de l’univers est incomplète. Ces limitations ont favorisé le développement de nouvelles théories, telles que la supersymétrie (qui propose une nouvelle particule pour chacune des particules connues), les dimensions supplémentaires (domaines spatiaux cachés) et la théorie des cordes (qui envisage les particules comme de minuscules cordes vibrantes). Une caractéristique commune à beaucoup de ces théories est l’existence d’une Vallée Cachée — un monde parallèle de particules semblables à celles que nous connaissons, mais dont les interactions sont principalement confinées à leur propre domaine.
Les particules de ce secteur sombre n’interagiraient que faiblement avec celles décrites par le Modèle Standard. Toutefois, un « médiateur » partikel pourrait relier les deux mondes.
Dans les collisions de particules, comme celles se produisant au LHC, les scientifiques pensent que ces médiateurs pourraient apparaître brièvement, se désintégrant en particules du secteur sombre qui produisent finalement des signatures détectables.
Explorer la vallée cachée avec des particules ordinaires
Pour trouver ces médiateurs, les chercheurs du CMS ont ciblé les motifs d’énergie douce non regroupés comme une signature expérimentale potentielle de la vallée cachée, car ce sont des signaux énergétiques subtils et uniques qui ne correspondent pas aux schémas typiques des particules et de leurs interactions connues.
Selon de nombreuses théories sur la vallée cachée, lorsque des protons entrent en collision dans le LHC, les interactions fortes entre leurs gluons — les particules qui les composent — pourraient générer des médiateurs. Si cela s’avère correct, les médiateurs se désintégreraient ensuite en équivalents de particules connues du secteur sombre, comme des protons et des pions, qui se désintégreraient à leur tour en « photons sombres ».
Un aspect essentiel des photons sombres est leur capacité à interagir avec les particules du Modèle Standard via un mélange cinématique, qui constitue l’interaction principale entre le secteur sombre et le Modèle Standard, en dehors du médiateur.
Le mélange cinématique permet aux photons sombres de se convertir en photons ordinaires, leur permettant de se désintégrer en particules détectables comme des électrons, des muons ou des pions. Ces produits de désintégration, ainsi que leurs vitesses et angles, sont désignés sous le nom de motifs d’énergie douce non regroupés, fournissant une preuve observable de la présence du secteur sombre.
À la recherche de motifs d’énergie douce non regroupés
Contrairement aux particules générées lors de processus typiques du Modèle Standard, qui apparaissent sous forme de flux concentrés étroits (également appelés jets), les motifs d’énergie douce non regroupés devraient se répartir isotropiquement, s’étalant uniformément dans toutes les directions.
Les particules de ces motifs portent également une énergie bien inférieure à celle de leurs homologues du Modèle Standard, ce qui rend leur détection difficile au milieu du grand nombre de particules produites lors des collisions ordinaires.
« Les données indiquant une physique au-delà du Modèle Standard pourraient se manifester non seulement sous forme de nouvelles particules et d’activité de jets, mais aussi sous forme d’activité plus sphérique, avec des particules « douces », a expliqué Gordon Kane, professeur de physique à l’Université du Michigan, qui n’était pas impliqué dans l’étude. « Par exemple, des particules de matière noire encore non découvertes pourraient être produites et certaines se désintégrer en particules du Modèle Standard. »
Les défis de la détection
Malgré leurs propriétés uniques, identifier les motifs d’énergie douce non regroupés dans les données du LHC représente un défi considérable. Les collisions ordinaires de protons produisent des milliers de particules, et même les processus du Modèle Standard peuvent aboutir à des trajectoires de particules étalées de manière homogène dans certaines conditions.
Pour distinguer les motifs d’énergie douce non regroupés de ce bruit de fond, l’équipe du CMS a utilisé des simulations avancées des processus tant du Modèle Standard que de la vallée cachée. Ces simulations les ont aidés à prédire de subtiles différences dans les signatures des détecteurs lors des événements de motifs d’énergie douce non regroupés.
En fin de compte, leur analyse des données collectées entre 2016 et 2018 n’a trouvé aucune preuve de tels motifs, suggérant que ces signaux pourraient ne pas exister. Cependant, ce résultat reste significatif car il contribue à affiner les possibilités concernant les particules et les médiateurs du secteur sombre. Par exemple, l’étude a écarté certaines gammes de masse pour les médiateurs et les photons sombres qui n’avaient pas été exclues auparavant, fournissant ainsi aux physiciens une orientation plus claire sur les théories de la vallée cachée qui demeurent viables et celles qui peuvent être définitivement abandonnées.
« Ces résultats démontrent une nouvelle technique intéressante pour rechercher des motifs d’énergie douce non regroupés, mais malheureusement ne trouvent pas de preuves à leur sujet », a déclaré Whiteson. « C’est un résultat négatif, ce qui est moins palpitant mais constitue une partie importante d’une recherche approfondie sur de nouveaux types de physique. »
Vers l’avenir
Le travail de la collaboration CMS n’est pas la dernière parole sur les motifs d’énergie douce non regroupés potentiellement liés à la vallée cachée. À mesure que le LHC continue de collecter des données avec des détecteurs améliorés, l’équipe vise à affiner son analyse et à accroître sa sensibilité aux signes potentiels de nouvelle physique. Les futurs accélérateurs, tels que le Collider circulaire futur proposé au CERN, fonctionneront à des énergies beaucoup plus élevées, augmentant les chances de produire et de détecter des médiateurs.
« Les données du CMS montrent uniquement les particules douces (c’est-à-dire à basse énergie) attendues dans le Modèle Standard, sans activité douce supplémentaire, ce qui exclura un certain nombre de modèles », a déclaré Kane. « Avec plus de données et davantage de temps pour l’analyse, cela pourrait devenir un outil significatif pour contraindre les théories au-delà du Modèle Standard. »
Bien que la recherche de motifs d’énergie douce non regroupés n’ait pas encore porté ses fruits, l’approche innovante développée par la collaboration CMS établit une base pour de futures investigations sur la vallée cachée et d’autres domaines de la physique spéculative.
« J’attends des améliorations et un travail de suivi », a conclu Whiteson. « Je ne pense pas que cela ait changé le paradigme de la façon dont la physique des particules est faite, bien que ce soit un travail techniquement très impressionnant. »
Article original rédigé par : A. Hayrapetyan et al. (CMS Collaboration), Recherche de motifs d’énergie douce non regroupés dans des collisions proton-proton à 13 TeV, Physical Review Letters (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.133.191902
Image de présentation : geralt sur Pixabay
Bon à savoir
- Le concept de la vallée cachée offre un cadre pour explorer des particules au-delà du Modèle Standard.
- Les avancées technologiques des détecteurs au LHC permettent des analyses plus précises des événements subtils.
- La recherche de nouvelles particules pourrait également avoir des implications sur notre compréhension de l’univers.
Cette étude illustre l’importance de la recherche en physique des particules, qui continue d’évoluer pour nous aider à déchiffrer les mystères de l’univers. Le débat sur l’existence de la matière noire et de l’énergie noire reste ouvert, amenant les scientifiques à explorer des concepts toujours plus audacieux. Quelles nouvelles théories pourraient émerger dans les années à venir ?
C’est fascinant de voir comment les chercheurs explorent ces motifs d’énergie douce. Cela pourrait ouvrir des portes vers de nouvelles découvertes en physique et aider à comprendre l’univers !
Quelle étude fascinante ! L’idée d’explorer des mondes cachés me rappelle la beauté des rêves perdus, toujours à portée de main mais si souvent invisibles à nos yeux. L’avenir semble plein de promesses.
La recherche sur la vallée cachée m’évoque un monde secret de particules dansant dans l’ombre. Chaque découverte pourrait être un éclat de lumière dans notre compréhension de l’univers.