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Sonder la particule élémentaire la plus lourde de la nature

La collaboration CMS a vérifié si les quarks top respectent bien jour et nuit la théorie de la relativité restreinte d'Einstein

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CMS
Le détecteur CMS (Image : CERN)

Lors d’une étude inédite menée auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC), la collaboration CMS a vérifié si les quarks top se comportent conformément à la théorie de la relativité restreinte d'Einstein.

Avec la mécanique quantique, la théorie de la relativité restreinte d'Einstein constitue la base du Modèle standard de la physique des particules. L’un des piliers de cette théorie est l’invariance de Lorentz, qui exprime le fait que le résultat d’une expérience est indépendant de l'orientation ou de la vitesse du référentiel dans lequel l’expérience est réalisée.

La relativité restreinte a résisté à l'épreuve du temps. Cependant, certaines théories, notamment des modèles particuliers de la théorie des cordes, prédisent que, à de très hautes énergies, la relativité restreinte vole en éclats et que les observations faites par une expérience dépendent de l'orientation de celle-ci dans l'espace-temps. Une telle brisure de la symétrie de Lorentz pourrait se manifester à des énergies plus basses, comme celles du LHC. Toutefois, malgré les efforts accomplis jusqu’ici, des indices de cette brisure n’ont toujours pas pu être détectés au LHC ou dans d'autres collisionneurs.

Dans sa récente étude, la collaboration CMS a recherché au moyen du LHC une brisure de la symétrie de Lorentz en utilisant des paires de quarks top, soit les particules élémentaires les plus massives connues à ce jour. Dans le cas d’une telle brisure, le fait que les résultats obtenus soient fonction de l'orientation de l'expérience signifierait que le taux de production de paires de quarks top dans les collisions proton-proton au LHC varierait périodiquement.

Plus précisément, comme la Terre tourne sur son axe, la direction des faisceaux de protons du LHC et la direction moyenne des quarks top produits dans les collisions au centre de l'expérience CMS varient également en fonction de l'heure de la journée. En conséquence, et s'il existe une direction préférentielle dans l'espace-temps, le taux de production de paires de quarks top varierait lui aussi en fonction de l'heure de la journée. Trouver un écart par rapport à un taux constant reviendrait ainsi à découvrir une direction préférentielle dans l'espace-temps.

Le nouveau résultat de CMS, obtenu à partir des données issues de la deuxième période d’exploitation du LHC, montre un taux constant, ce qui signifie que la symétrie de Lorentz n'est pas brisée et que la relativité restreinte d'Einstein est préservée. Les scientifiques de CMS ont utilisé ce résultat pour fixer des limites aux paramètres qui, d’après la théorie, devraient être nuls si la symétrie est respectée. Les limites obtenues améliorent d'un facteur 100 les résultats d'une étude antérieure sur la brisure de la symétrie de Lorentz menée auprès du Tevatron.

Ces résultats ouvrent la voie à de futures recherches sur la brisure de la symétrie de Lorentz basées sur les données relatives aux quarks top recueillies lors de la troisième période d’exploitation du LHC. Ils facilitent en outre l'examen de processus faisant intervenir d'autres particules lourdes qui ne peuvent être étudiées qu'au LHC, comme le boson de Higgs et les bosons W et Z.