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ATLAS établit de nouvelles limites pour des particules exotiques à longue durée de vie

Ce résultat améliore les meilleures limites établies auprès du LEP, prédécesseur du LHC

ATLAS Experiment during Long Shutdown 2
Pour identifier les collisions au cours desquelles les particules à longue durée de vie pourraient se désintégrer loin du point de collision du LHC, la collaboration ATLAS s'est concentrée sur les signaux du calorimètre et du spectromètre à muons (visibles ici). (Image: S. Goldfarb/ATLAS collaboration)

Les scientifiques du CERN au LHC s’emploient à trouver de nouvelles manières de rechercher de nouvelles particules. Ainsi, certaines particules à longue durée de vie, difficiles à repérer, pourraient se désintégrer loin du point de collision du LHC et laisser une signature inhabituelle dans un détecteur. La collaboration ATLAS a élargi son vaste programme de recherche pour analyser de tels événements atypiques, ce qui a permis d’améliorer considérablement les limites concernant des particules massives à longue durée de vie qui se désintégreraient en leptons (un type de particules).

Le Modèle standard inclut bien des particules à longue durée de vie, mais il s’agit de particules de masse relativement faible. Des particules massives à longue durée de vie apparaissent dans certaines théories décrivant une nouvelle physique, au-delà du Modèle standard. L'une des théories incluant, dans certaines de ses formulations, de nouvelles particules à longue durée de vie est la supersymétrie (SUSY), pour laquelle chacune des particules du Modèle standard est associée à une « superpartenaire », qui se distingue d’elle par son spin (une propriété quantique des particules). Dans sa nouvelle étude, l’équipe d’ATLAS a recherché la présence des superpartenaires des leptons (les « sleptons »), qui incluent les superpartenaires des électrons (les « sélectrons »), des muons (les « smuons ») et des taus (les « staus »).

En général, la recherche d'une nouvelle physique au moyen des données de l'expérience ATLAS passe par l'observation de nouvelles particules qui se désintègreraient instantanément, comme le font les particules lourdes du Modèle standard et comme devraient le faire la plupart des nouvelles particules. Pour cette étude, les physiciens de l'expérience ATLAS ont dû développer de nouvelles méthodes d'identification des particules afin d'améliorer la possibilité de découvrir des particules à longue durée de vie.

Comme les particules créées à la suite de désintégrations de ce type de particules apparaîtraient loin du point de collision, le bruit de fond peut être atypique : des photons peuvent être confondus avec des électrons, d’apparentes traces de muons peuvent en fait venir d’autres particules, ou des muons cosmiques peuvent être mal pris en compte. Les muons cosmiques viennent de particules de haute énergie qui entrent en collision avec l'atmosphère terrestre ; ils franchissent sans encombre les quelques 90 m de roche sous lesquels se trouve l’expérience ATLAS pour aller traverser le détecteur. Comme ils ne sont pas nécessairement captés par le détecteur à proximité du point de collision, ils peuvent apparaître comme venant d'une désintégration d'une particule à longue durée de vie. Les physiciens d’ATLAS ont mis au point des techniques, non seulement pour réduire les sources de bruit de fond inhabituelles, mais également pour estimer les effets de ces sources.

Dans sa recherche, la collaboration ATLAS n'a pas trouvé de preuve de l'existence de particules à longue durée de vie, mais a pu définir les limites de masse et de durée de vie pour des sleptons à longue durée de vie qui se désintègreraient en leptons du Modèle standard à l’intérieur du détecteur. Pour ce qui concerne la durée de vie ciblée particulièrement par cette étude, à savoir environ 0,1 nanoseconde, soit une distance de vol d'environ 30 cm, les chercheurs ont exclu les sélectrons et les smuons d'une masse inférieure à 700 GeV, et les staus d'une masse inférieure à 250 GeV. Les précédentes meilleures limites sur ces particules à longue durée de vie s'établissaient à une valeur de 90 GeV et avaient été définies, il y a plus de vingt ans, dans les expériences auprès du Grand collisionneur électron-positon (LEP), le prédécesseur du LHC. Le nouveau résultat a permis, non seulement de retrouver, mais de dépasser celui du LEP.

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Pour en savoir plus, rendez-vous sur le site web de l'expérience ATLAS.