La chasse est ouverte au LHC

Comme des chasseurs suivant la trace de leur proie, les physiciens comparent les données réelles des collisions aux simulations (comme celle-ci) pour voir si une nouvelle particule a été produite et s’est désintégrée dans leurs détecteurs. (Image : CMS)

Le LHC a repris du service à une énergie s'élevant à 13 TeV : mais quelles sont aujourd'hui les étranges créatures recherchées par les physiciens à la frontière des hautes énergies ?

Tout en haut de la liste de priorités du LHC figure cette année la chasse aux nouvelles particules, dont on suspecte la présence aux frontières des hautes énergies, et qui ne font pas partie du Modèle standard de la physique des particules. Leur découverte pourrait ouvrir la voie à une théorie encore plus fondamentale des principes de fonctionnement de la nature.

Nouvelles particules prévues par certains modèles de physique
au-delà du Modèle standard. Image : Daniel Dominguez
(avec la permission de Hitoshi Murayama)

Après la découverte, il y a cinq ans, du boson de Higgs, dernier élément manquant pour compléter le Modèle standard, les physiciens ont de bonnes raison de penser que d'autres particules pourraient se profiler à l'horizon. Celles-ci pourraient apporter des réponses à certains mystères de la physique : de quoi est composée la matière noire ? Pourquoi les particules de matière du Modèle standard ont-elles la masse qu'elles ont, et pourquoi sont-elles réparties en trois familles de deux ? Et, en particulier, pourquoi le boson de Higgs n'est-il pas beaucoup plus lourd, si lourd qu'il aurait mis fin à l'évolution de l'Univers un instant après le Big Bang ?

Ne pas passer à côté d'une belle prise 

Cet inventaire ne décrit que certaines des créatures que les scientifiques s'attendent à rencontrer. Pour être sûrs de ne passer à côté d'aucune découverte, les expériences du LHC réalisent des recherches ne s'appuyant sur aucun modèle, en étudiant des phénomènes généraux comme des paires de quarks et de leptons à haute énergie, ou des sources inexpliquées d'énergie manquante. 

Il est possible que certaines des créatures les plus insaisissables n'apparaissent du tout sur les détecteurs, ce qui oblige les équipes d'expérimentation du LHC à recourir à des méthodes indirectes, comme la mesure extrêmement précise de processus du Modèle standard connus, dans le but de repérer d'éventuelles divergences avec les prédictions. Les physiciens espèrent observer un indice clair de l'existence d'un autre type de particules, une « bosse » caractéristique dans les données qui pourrait seulement s'expliquer par la présence d'une nouvelle particule lourde. Cependant, il se peut que l'indice soit indirect, qu'on repère simplement une anomalie inexpliquée. Ces recherches ne sont cependant pas la chasse gardée des expériences du LHC (y compris LHCb et ALICE) ; de nombreuses autres expériences du CERN, sans lien avec le LHC, y prennent part.

Quelle que soit la manière d'explorer les territoires inconnus situés aux frontières des hautes énergies, les physiciens doivent veiller à ne pas se laisser tromper par les nombreux phénomènes du Modèle standard qui pourraient les induire en erreur et à ne pas tirer de conclusions hâtives des statistiques. En effet, même si les statistiques indiquent un phénomène nouveau, laissant penser que les expériences ont réalisé une découverte, il reste encore à déterminer exactement ce qui a été observé : un simple mutant, ou un proche cousin d'une espèce connue ? Ou bien l'annonciateur de l'existence d'un nouveau royaume subatomique ?

Voici une liste non exhaustive et sans critère d'ordre particulier des étranges, voire stupéfiantes créatures quantiques que les expériences du LHC aimeraient débusquer cette année.

Les particules supersymétriques

De quoi s’agit-il ?

Depuis plus de 40 ans, une théorie, appelée supersymétrie (SUSY), séduit les physiciens. Elle repose sur une symétrie de l'espace-temps, où chaque particule du Modèle standard aurait une particule associée appelée superpartenaire. Puisque l'on n'a pas encore observé ces superpartenaires, c'est qu'ils doivent être plus lourds que les particules du Modèle standard.

Pourquoi ?

Souvent considérée comme mathématiquement élégante, la supersymétrie règle certains problèmes techniques du Modèle standard et donne des pistes pour l'unification des forces fondamentales. La particule supersymétrique la plus légère serait également une bonne candidate pour la matière noire.

Comment ?

La supersymétrie pourrait être découverte de bien des façons par les expériences ATLAS et CMS du LHC ; elle pourrait se manifester par des d'événements où une grande part de l'énergie est emportée par des superpartenaires massifs interagissant faiblement. Tout comme les autres collisionneurs, le LHC n'a à ce jour pas trouvé d'indices de la supersymétrie, ce qui exclut l'existence de certains types de superpartenaires de masse inférieure à 2 TeV.

Les cousins du boson de Higgs

De quoi s’agit-il ?

Le Modèle standard ne requiert qu'un seul type de boson de Higgs, et pour le moment, les caractéristiques de la particule observée et nommée boson de Higgs semblent lui correspondre. Toutefois, plusieurs théories prévoient que ce boson de Higgs du Modèle standard ferait en fait partie d'une famille de particules de Higgs qui auraient toutes des propriétés légèrement différentes (la supersymétrie, par exemple, en prévoit au moins cinq).

Pourquoi ? 

Comme le boson de Higgs, qui donne aux particules leur masse dans le Modèle standard, est un objet scalaire fondamentalement différent de toutes les autres particules connues, il pourrait ouvrir la voie à de nouveaux domaines de la physique.

Comment ? 

Les cousins exotiques du boson de Higgs ont des charges électriques et des propriétés différentes, en particulier des masses distinctes ; ils se désintègrent donc forcément différemment du boson de Higgs et d'une manière qui devrait être relativement facile à repérer.

De nouveaux bosons vecteurs

De quoi s’agit-il ? 

Au niveau quantique, les forces fondamentales de la nature interagissent par le biais de particules élémentaires appelées bosons vecteurs : le photon, neutre, est le vecteur de l'électromagnétisme, le boson Z, neutre, et les bosons W, chargés, sont les vecteurs de la force nucléaire faible responsable de la désintégration radioactive. En principe, d'autres bosons vecteurs, appelés W’ et Z’, pourraient exister.

Pourquoi ? 

Découvrir de telles particules équivaudrait à découvrir une cinquième force fondamentale, ce qui changerait radicalement la vision actuelle de l'Univers et amènerait à redéfinir le Modèle standard.

Comment ? 

Les signatures expérimentales des nouveaux bosons vecteurs, qui doivent logiquement être plus lourds que les bosons W et Z, car dans le cas contraire ils auraient déjà été observés, vont de la production directe par les expériences ATLAS et CMS à des indices indirects de la violation des saveurs de leptons à LHCb.

Les dimensions supplémentaires

De quoi s’agit-il ? 

La possibilité de l'existence d'autres dimensions spatiales que les trois que nous connaissons a été mise en avant à la fin des années 1990 pour remédier à certaines failles du Modèle standard. Selon cette théorie, l'univers entiers pourrait simplement être ce qu'on appelle une « brane » tridimensionnelle flottant dans un ensemble comportant plus de dimensions, à laquelle les particules du Modèle standard seraient liées à tout jamais alors que la force de gravité pour se répandre librement dans l'ensemble ; ou bien il pourrait y avoir d'autres dimensions microscopiques à des échelles extrêmement petites.

Pourquoi ? 

S'il existe bien des dimensions supplémentaires, les physiciens pourraient alors étudier les gravitons et d'autres phénomènes gravitationnels en laboratoire : en effet, avec cette théorie, l'échelle de la gravité quantique diminuerait de plusieurs ordres de grandeur, pour atteindre celle du TeV, soit l'ordre de grandeur de l'énergie de collision du LHC.

Comment ? 

La présence de dimensions supplémentaires pourrait avoir une signature claire sous forme d'énergie manquante repérable par les détecteurs d'ATLAS et de CMS. Elle produirait une « résonance », comme les notes sur une corde de guitare, qui correspondrait à des cousins invisibles de l'hypothétique vecteur de la gravité : le graviton.

Les trous noirs quantiques

De quoi s’agit-il ? 

L'existence de dimensions supplémentaires impliquerait une gravité plus forte que ne le croyons, ce qui permettrait à des trous noirs très légers d'exister. Ceux-ci ressembleraient, sur le plan mathématique, aux trous noirs de l'astrophysique classique, mais seraient des milliards de milliards de fois plus légers. Il n'y a toutefois pas de danger, car les trous noirs quantiques s'évaporeraient quasi-instantanément après avoir été produits. D'ailleurs, comme ces objets apparaissent à haute énergie, ils doivent être constamment produits lors des collisions entre les rayons cosmiques et les couches supérieures de l'atmosphère, sans faire de dégât.

Pourquoi ?

La découverte de trous noirs miniatures révolutionnerait la physique et permettrait de trouver plus rapidement une théorie quantique de la gravité qui unifierait la mécanique quantique et la théorie de la relativité générale d'Einstein.

Comment ?

Les trous noirs quantiques se désintègreraient ou « s'évaporeraient » instantanément, produisant de nombreuses particules, évènement que l'on pourrait observer.

La matière noire

De quoi s’agit-il ? 

Si le Modèle standard est confirmé sur Terre, il ne décrit que 5 % de la matière observée dans l'Univers. On pense que la matière noire, dont l'existence est nécessaire pour expliquer certaines observations astronomiques, est constituée d'une particule, mais on ignore de quel type elle pourrait être. Il s'agirait peut-être d'une particule supersymétrique.

Pourquoi ?

Outre qu'elle permettrait d'expliquer une grande partie de l'univers, l'étude de la matière noire ouvrirait de nombreuses et fascinantes possibilités de recherche expérimentale.

Comment ?

La matière noire interagit très faiblement, voire pas du tout, par le biais des forces du Modèle standard : l'énergie manquante constituerait une signature caractéristique observable par les détecteurs ATLAS et CMS. 

Les leptoquarks

De quoi s’agit-il ? 

Dans le Modèle standard, il existe deux grands types de matière : d'une part les quarks, dont les protons et les neutrons sont constitués, et d'autre part les leptons, comme par exemple les électrons et les neutrinos. Les leptoquarks sont des particules hypothétiques qui seraient à la fois un peu les deux, et cela permettrait aux quarks de devenir leptons et inversement.

Pourquoi ?

L'hypothèse des leptoquarks apparaît dans certaines extensions du Modèle standard, notamment dans la théorie visant à unifier les interactions forte, faible et électromagnétique.

Comment ?

Comme ces particules sont censées se désintégrer en un lepton et un quark, les études menées au LHC recherchent des bosses caractéristiques dans la répartition des masses des produits de désintégration. 

La sous-structure des quarks

De quoi s’agit-il ? 

Pour le moment, toutes les données expérimentales montrent que les six types de quark connus à l'heure actuelle sont indivisibles, mais c'est également ce que l'on pensait autrefois d'autres particules, notamment des atomes. Étudier la matière à des échelles toujours plus petites mène naturellement à la question suivante : les quarks sont-ils réellement des particules élémentaires, ou sont-ils constitués d'autres particules plus petites ?

Pourquoi ?

Si les quarks ont bien une sous-structure, cela signifie qu'il reste un nouveau pan entier du monde subatomique à découvrir. Des physiciens ont émis l'hypothèse de l'existence de « préons », afin d'expliquer la classification des particules élémentaires et des forces à un niveau plus fondamental, selon le modèle de la classification périodique des éléments.

Comment ?

La signature expérimentale des sous-structures des quarks pourrait consister en la détection de la désintégration d'un quark dans un état excité en quarks ordinaires et en gluons, qui à leur tour produisent deux flux de particules collimatées à haute énergie appelés jets. 

Les neutrinos stériles lourds

De quoi s’agit-il ? 

Le Modèle standard prévoit trois types de neutrinos légers, les neutrinos électroniques, muoniques et tauiques. Cependant plusieurs éléments inexpliqués de la physique, tels que la très faible masse des neutrinos ordinaires, donnent à penser qu'il pourrait y avoir d'autres neutrinos, qui seraient stériles et beaucoup plus lourds.

Pourquoi ?

La découverte de neutrinos stériles lourds pourrait aider à résoudre le problème de l'asymétrie matière-antimatière dans l'Univers. Ils seraient également un bon candidat à la matière noire, et, enfin, ils constituent la seule explication à la faible masse des neutrinos ordinaires dans le cadre du Modèle standard.

Comment ?

La masse des neutrinos stériles est inconnue en théorie mais ces particules pourraient être détectées lorsqu'elles « oscillent », devenant des neutrinos ordinaires, dotés d'une saveur.

Les particules à longue durée de vie

De quoi s’agit-il ? 

On présume en générale que les nouvelles particules produites au cours d'une collision de particules vont se désintégrer immédiatement, quasiment à l'endroit où elles sont apparues, ou bien vont s'échapper sans être détectés. Néanmoins, de nombreux modèles de nouvelle physique prévoient l'existence de particules lourdes ayant une durée de vie leur permettant de parcourir des distances allant de quelques micromètres à quelques centaines de milliers de kilomètres avant de se désintégrer en matière ordinaire.

Pourquoi ?

Des particules lourdes à longue durée de vie aideraient à expliquer les questions laissées en suspens par le Modèle standard, telles que la faible masse du boson de Higgs, la matière noire, et peut-être le déséquilibre entre matière et antimatière dans l'Univers.

Comment ?

Les particules à longue durée de vie pourraient être observés sous forme de flux de matière ordinaire venant de nulle part (« vertex déplacés »). D'autres pistes sont la recherche d'un grand « dE/dx », de longs temps de trajet avant désintégration ou de pertes de signal par les détecteurs.