Deux cristaux courbés pourraient-ils ouvrir la voie à une nouvelle physique ? Le Modèle standard de la physique des particules décrit particulièrement bien notre monde aux échelles les plus petites. Il ne permet toutefois pas d’expliquer certaines énigmes, comme le déséquilibre entre la matière et l’antimatière, ou l’existence de la matière noire, entre autres. L’une des méthodes utilisées pour trouver une « nouvelle physique » au-delà du Modèle standard consiste à mesurer les propriétés de différentes particules aussi précisément que possible, puis à comparer les mesures avec la théorie. L’existence d’une discordance pourrait être le signe d’une nouvelle physique et nous permettre d’obtenir progressivement une image plus complète de notre Univers – un peu comme un puzzle que l’on assemble morceau après morceau.

Des physiciens s’attachent ainsi à étudier les « baryons charmés », tels que le « Lambda-c-plus » (Λc+), « cousin » lourd du proton, composé de trois quarks (un up, un down et un charme). Ces particules se désintégrant en un temps infime (moins de 10-13 s), mesurer leurs propriétés s’apparente à une course contre la montre. Certaines de leurs propriétés n’ont pas encore été mesurées avec une grande précision, ce qui laisse de la place pour une nouvelle physique. Les moments dipolaires magnétiques et électriques des particules sont particulièrement intéressants. Dans le passé, les mesures précises des moments dipolaires d’autres particules ont permis de tester des théories établies avec, parfois, quelques surprises qui ont laissé entrevoir une nouvelle physique.

Un nouveau concept d’expérience vise à mesurer les propriétés des baryons charmés à l’aide d’une cible fixe et de deux cristaux courbés. Pour mesurer les moments dipolaires électriques et magnétiques, on impose aux particules une trajectoire incurvée. Toutefois, comme les baryons charmés se désintègrent très rapidement, les techniques conventionnelles utilisant des champs magnétiques ne sont pas assez puissantes pour permettre d’obtenir des résultats mesurables. Une autre approche pourrait consister à exploiter le fait que, à l’intérieur d’un cristal, les atomes sont organisés en une configuration régulière, sous la forme d’un réseau tridimensionnel, formant de minuscules canaux lorsqu’on les observe depuis certaines directions. Si l’on place un cristal courbé au milieu d’un flux de particules chargées, ces particules peuvent suivre ces canaux, subissant des déflexions qui seraient impossibles à obtenir autrement sur une distance aussi courte. On peut ainsi effectuer des mesures sur des particules ayant une durée de vie extrêmement courte.

Dans le dispositif complet, un cristal de silicium courbé est inséré à proximité du faisceau de protons, à l’intérieur d’un flux de particules appelé « halo secondaire », constitué de protons qui se sont trop éloignés du centre du faisceau et qui seraient normalement absorbés par le système de collimation du LHC. Ce premier cristal éloigne les particules du faisceau principal du LHC et les dirige vers une cible en tungstène où les collisions produisent des baryons charmés. Un deuxième cristal de silicium incurve ensuite la trajectoire des particules produites de façon suffisamment forte pour que leurs moments dipolaires puissent être mesurés avec précision à l’aide d’un détecteur spécialisé.

TWOCRYST a été conçu comme une expérience de démonstration de principe, destinée à vérifier si le concept fonctionne réellement en pratique, en testant différents aspects, allant de la performance des cristaux à la précision de leur alignement. Après seulement deux ans de préparation, TWOCRYST a été installé dans le LHC au début de l’année. « Le dispositif est la version simplifiée de l’expérience complète ; il est constitué de deux cristaux de silicium courbés, d’une cible et de deux détecteurs 2D (un détecteur à pixels et un détecteur à fibres), explique Pascal Hermes, chef du projet TWOCRYST. L’un des objectifs est de vérifier si les particules peuvent être déviées successivement par les deux cristaux, processus dit de « double déviation ».

Les premières mesures de TWOCRYST effectuées en juin à une énergie de 450 GeV ont donné des résultats prometteurs. Tout le matériel nouvellement installé est fonctionnel et opérationnel et, une fois les deux cristaux de silicium soigneusement alignés, des particules ayant subi une double déviation ont été observées : une première au LHC, et une première à une énergie aussi élevée. L’équipe va maintenant réaliser une série de tests supplémentaires à des énergies plus élevées, de l’ordre de plusieurs TeV. Toutes les mesures seront analysées en détail afin de déterminer s’il est possible de collecter suffisamment de baryons charmés déviés pour justifier une expérience complète. Quel que soit le résultat, TWOCRYST a déjà ouvert un nouveau chapitre des applications des cristaux au LHC. Les résultats de TWOCRYST pourraient bien influencer la conception de futures expériences à cible fixe et de nouveaux concepts de contrôle du faisceau au LHC et ailleurs.