CMS explore l’intérieur des quarks

Selon notre compréhension actuelle de l’Univers, les quarks sont des particules ponctuelles, dites « fondamentales », c’est-à-dire qu’elles ne sont pas elles-mêmes constituées de particules plus petites. Un récent article publié par la collaboration CMS décrit comment ses équipes ont sondé les quarks à une échelle de 10^-20 mètre pour tester cette hypothèse.

À cette échelle, aucun indice d’éventuels constituants de base n’a été observé, mais l’histoire montre que des structures autrefois considérées comme fondamentales peuvent révéler des sous-structures profondes : on a ainsi découvert que la matière était constituée de molécules, elles-mêmes composées d’atomes, eux-mêmes constitués d’un noyau dense entouré d’un nuage d’électrons.

Rutherford a découvert le noyau atomique en envoyant un faisceau de particules (des noyaux d’hélium) sur une cible constituée d’une feuille d’or. Il a constaté que ces particules étaient déviées selon différents angles en raison de la structure des atomes d’or. Rutherford a ensuite mesuré les angles des trajectoires des particules déviées. En étudiant la répartition de ces angles (les angles de diffusion), il a été en mesure de prouver que les atomes contenaient en leur centre un noyau ponctuel. Cette expérience a pu être réalisée parce que le faisceau d’hélium utilisé dans le dispositif d’expérimentation avait une énergie suffisante pour sonder l’intérieur des atomes.

Par la suite, il a été démontré que le noyau était constitué de protons et de neutrons, qui eux-mêmes sont constitués de quarks. Les expériences du LHC, dont CMS, poursuivent aujourd’hui ces recherches en faisant entrer en collision des particules à des énergies extrêmement élevées afin de sonder la possible structure interne des quarks.

Lorsque deux faisceaux de protons entrent en collision dans CMS, les quarks qui les composent se dispersent en deux jets – ou gerbes de particules – qui peuvent être mesurés et utilisés pour reconstituer l’angle de diffusion entre les quarks.

La répartition des angles de diffusion entre les deux jets peut ensuite être comparée à la répartition qui serait attendue si le quark était effectivement une particule ponctuelle. Les récents résultats de la collaboration CMS, basés sur des données de la deuxième période d’exploitation du LHC, n’ont montré aucune contradiction significative avec la répartition de la diffusion d’une particule ponctuelle. Cela signifie que, si les quarks sont des structures composites, il est peu probable que leur taille dépasse 10^–20 m.

La taille est estimée à partir des contraintes relatives à l’échelle d’énergie à laquelle pourrait se révéler le caractère composite du quark. Concernant le modèle de référence utilisé pour le récent article de CMS, qui prenait pour hypothèse un quark composite, les derniers résultats fixent la limite la plus stricte à ce jour à 37 TeV.

De la même manière que Rutherford a pu identifier les éléments constitutifs de l’atome parce que son faisceau de particules avait une énergie suffisante, l’étude des collisions de particules à des énergies supérieures pourrait nous permettre de détecter de potentielles structures plus petites à l’intérieur des quarks. Les données issues de la troisième période d’exploitation du LHC et du futur LHC à haute luminosité pourraient contribuer à réduire les incertitudes liées à la mesure de l’angle de diffusion, ce qui permettrait de détecter des structures encore plus infimes et de poursuivre la quête des plus petites « briques » de la matière.