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La chasse est ouverte au LHC

Nouvelles particules prévues par certains modèles de physique au-delà du Modèle standard

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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.