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Physique des particules

Une collision pp avec émission de multiples jets enregistrée au LHC. Document CERN.

Les découvertes récentes (I)

Nous allons décrire les découvertes récentes en physique des particules et des très hautes énergies, y compris en recherche appliquée. Dans la mesure du possible, d'autres découvertes ont déjà été intégrées dans d'autres articles. Dans celui-ci, attendez-vous à découvrir des phénomènes paradoxaux ou tout à fait étonnants et inattendus ! Ce domaine étant très vaste, nous nous limiterons à un résumé des découvertes les plus étranges, le lecteur pouvant approfondir sa lecture en suivant le lien référencé dans l'article.

Le proton contiendrait un quark charm

Dans un article publié dans la revue "Nature" en 2022 (cf. aussi le podcast), les membres de la Collaboration NNPDF ont apporté des preuves solides selon lesquelles le proton contiendrait un quark charm. La découverte doit encore être confirmée, d'où l'usage du conditionnel.

La chromodynamique quantique (CDQ), c'est-à-dire la théorie de l'interaction nucléaire forte, nous dit que la structure d'une particule est régie par les probabilités. Un proton est constitué de deux quarks up (u) et d'un quark down (d) liés par des vecteurs de force appelés les gluons. Mais cette théorie prédit également que les protons, comme les neutrons ou tous les autres hadrons, contiennent une multitude d'autres paires de quark-antiquark.

La plupart de ces particules supplémentaires sont générées lorsque des gluons sont accélérés lors de collisions à haute énergie entre protons, tout comme la théorie électromagnétique nous dit que des photons sont émis lorsque des particules chargées accélèrent. Mais ce qui est moins clair, c'est dans quelle mesure il pourrait y avoir des quarks supplémentaires dans les protons et les neutrons, ce qu'on appelle les quarks intrinsèques qui contribuent aux fonctions d'ondes quantiques des hadrons.

Les scientifiques s'accordent sur l'existence de quarks étranges (s) intrinsèques, étant donné que les quarks étranges ont une masse au repos très inférieure à celle des protons. Cependant, l'existence et l'éventuelle contribution des quarks charmés (c) intrinsèques demeure incertaine. Ces quarks sont plus lourds que les protons, mais seulement d'une petite quantité, laissant ouverte la possibilité qu'ils représentent une petite composante mais néanmoins observable de la masse d'un proton.

Une expérience réalisée par la Collaboration Européenne du Muon (EMC) du CERN en 1980 (cf. S.J. Brodsky et al., 1980) suggéra que le proton pourrait contenir un quark charme et son antiparticule, un anticharme, mais les résultats n'ont pas été concluants et furent controversés.

Depuis d'autres expériences furent réalisées pour identifier l'éventuel quark charm intrinsèque du proton, mais jusqu'à présent tous les résultats furent contradictoires et on a du mal à séparer les éléments constitutifs intrinsèques du proton de l'environnement à haute énergie des accélérateurs de particules, où chaque type de quark est créé et détruit dans une cascade de réactions.

Arrêt sur image sur la structure probabiliste d'un proton composé de trois quarks (u,u,d). Document SPL.

Cette fois, Juan Rojo de l'Université Libre d'Amsterdam (VUA) aux Pays-Bas et ses collègues physiciens de l'Université de Milan et de l'Université d'Édimbourg ont trouvé des "preuves sans ambiguïté" qu'une petite partie de la quantité de mouvement ou impulsion du proton, environ 0.5%, provient du quark charm intrinsèque.

Selon Rojo, "Il est remarquable que même après toutes ces décennies d'études, nous découvrions encore de nouvelles propriétés du proton et, en particulier, de nouveaux constituants."

Pour isoler le quark charm, Rojo et son équipe ont utilisé un modèle d'apprentissage automatique pour proposer des structures de protons hypothétiques composées de toutes les différentes saveurs de quarks, ce qu'on appelle les fonctions de distribution de partons ou PDF, c'est-à-dire des densités de probabilité, qu'ils appellent NNPDF4.0. Pour rappel, le "parton" est un terme générique inventé par Richard Feynman en 1969 pour décrire les entités ponctuelles constituant les hadrons appelées de nos jours les quarks et les gluons, afin d'analyser les collisions à haute énergie entre particules et modéliser leurs interactions.

Les chercheurs ont ensuite comparé ces résultats à plus de 500000 collisions réelles issues de décennies d'expériences dans les accélérateur de particules, y compris au LHC.

L'utilisation de l'apprentissage automatique était particulièrement importante car elle permet de générer des modèles auxquels les physiciens ne penseraient pas nécessairement, réduisant ainsi le risque de mesures biaisées.

Les chercheurs ont découvert que si le proton ne contient pas de paires de quarks c, il n'y a que 0.3% de probabilité d'obtenir le résultat observé, soit un écart-type ou erreur de dispersion de 3σ, qui est considéré comme le signe potentiel d'un évènement d'intéressant. Mais il faudrait atteindre 5σ pour revendiquer une découverte, ce qui équivaut à 1 chance sur 3.5 millions qu'il s'agisse d'un résultat aléatoire.

L'équipe a examiné les résultats récents de l'expérience LHCb sur le boson Z et modélisa la distribution statistique de la quantité de mouvement du proton avec et sans quark charmé. Ils ont trouvé que le modèle correspondait mieux aux résultats si le proton était supposé contenir un quark charm. Cela signifie que la présence d'un quark charm est plus probable que le niveau sigma lui-même ne le suggère.

L'existence du quark charm dans le proton pourrait également intéresser d'autres expériences de physique au LHC, car elles s'appuient sur le modèle Standard des particules et en particulier sur des modèles précis de la sous-structure du proton. L'observatoire de neutrinos IceCube installé en Antarctique, qui recherche les neutrinos produits lorsque les rayons cosmiques frappent l'atmosphère terrestre, pourrait également avoir besoin de prendre en compte cette nouvelle structure. Selon Rojo, "La probabilité qu'un rayon cosmique impacte un noyau atmosphérique et produise des neutrinos est assez sensible à l'abondance du quark charm du proton."

Mais tous les physiciens ne sont pas aussi enthousiastes. La physicienne Ramona Vogt du Laboratoire National Lawrence Livermore (LLNL) considère que "ce résultat est un pas en avant mais ce n'est pas le dernier mot", sous-entendant que nous sommes encore loin d'avoir une preuve. Le physicien Wally Melnitchouk du Thomas Jefferson National Accelerator Facility américain est même plus critique. Il considère que les preuves de NNPDF dépendent de la façon dont il définit le charme intrinsèque et des choix qu'il fait pour le calcul perturbatif, arguant que les définitions d'autres groupes qui n'ont pas trouvé de preuves sont également valables. Il soutient qu'un signal beaucoup plus convaincant serait l'observation d'une différence entre les PDF charm et anticharm dans le proton : "Une différence non nulle entre ceux-ci est beaucoup moins sensible aux choix de schémas théoriques et de définitions."

Bref, pour mettre tout le monde d'accord, il faut à présent refaire l'expérience et encore la refaire pour améliorer la précision afin d'être certain du résultat. On y reviendra en temps utile.

Créer une dimension supplémentaire du temps

Des physiciens ont soumis des atomes à l'intérieur d'un ordinateur quantique à des impulsions laser obéissant à la suite de Fibonacci et ont créé une phase complètement nouvelle et étrange de la matière qui se comporte comme si elle avait deux dimensions de temps. La technique pourrait être utilisée pour protéger les données des ordinateurs quantiques contre les erreurs. Les chercheurs ont présenté leur découverte dans un article publié dans la revue "Nature" en 2022.

Selon Philipp Dumitrescu, chercheur au Centre de physique quantique computationnelle de l'Institut Flatiron de New York et auteur principal de cet article, l'inclusion d'une dimension temporelle supplémentaire théorique "est une façon complètement différente de penser les phases de la matière. Je travaille sur ces idées théoriques depuis plus de cinq ans, et les voir se concrétiser dans des expériences est passionnant."

Gros-plan sur la chambre servant de piège à ions où sont confinés les qubits qui est au coeur des ordinateurs quantiques de Quantinuum.

Les physiciens n'ont pas cherché à créer une phase avec une dimension temporelle supplémentaire théorique, ni cherché une méthode pour permettre un meilleur stockage des données quantiques. En fait, ils voulaient créer une nouvelle phase de la matière, au-delà du solide, du liquide, du gaz et du plasma.

Ils ont commencé par construire la nouvelle phase du processeur quantique H1 de la société d'ordinateurs quantiques Quantinuum, qui se compose de 10 ions d'ytterbium (70Yb, un métal des terres rares) placés dans une chambre à vide qui sont contrôlés avec précision par des lasers dans un piège à ions tel celui présenté à droite. La nouvelle phase de la matière fut créée en utilisant des impulsions laser pour faire résoner en rythme les 10 ions d'ytterbium.

Pour contourner les effets de la décohérence qui détruit l'information et créer une nouvelle phase stable, les physiciens se sont tournés vers les phases dites topologiques. L'intrication quantique ne permet pas seulement aux dispositifs quantiques d'encoder des informations à travers les positions statiques singulières des qubits, mais aussi de les intégrer dans les mouvements dynamiques et les interactions de l'ensemble du matériau - dans la forme même, ou la topologie, des états intriqués du matériau. Cela crée un qubit "topologique" qui encode les informations dans plusieurs parties plutôt qu'une seule partie, ce qui rend la phase beaucoup moins susceptible de perdre ses informations.

Une caractéristique clé du passage d'une phase à une autre est la rupture des symétries physiques - l'idée que les lois de la physique sont les mêmes pour un objet quel que ce soit le moment ou le lieu. Prenons l'exemple de l'eau. En tant que liquide, les molécules d'eau suivent les mêmes lois physiques en tout point de l'espace et dans toutes les directions. Mais si on refroidit suffisamment l'eau pour qu'elle se transforme en glace, ses molécules choisiront des points réguliers le long du réseau cristallin pour s'organiser. Du coup, les molécules d'eau occupent des points préférentiels dans l'espace et laissent les autres points vides ; la symétrie spatiale de l'eau a été spontanément brisée.

La création d'une nouvelle phase topologique à l'intérieur d'un ordinateur quantique repose également sur la rupture de symétrie, mais avec cette nouvelle phase, la symétrie n'est pas brisée dans l'espace, mais dans le temps.

En donnant à chaque ion de la chaîne une secousse périodique avec les lasers, les physiciens voulaient briser la symétrie temporelle continue des ions au repos et imposer leur propre symétrie temporelle - où les qubits restent les mêmes à certains intervalles de temps - qui créerait une phase topologique rythmique à travers le matériau.

Mais l'expérience échoua. Au lieu d'induire une phase topologique insensible aux effets de la décohérence, les impulsions laser régulières ont amplifié le bruit extérieur au système, le détruisant moins de 1.5 seconde après sa mise sous tension.

Après avoir reconsidéré l'expérience, les chercheurs ont réalisé que pour créer une phase topologique plus robuste, ils auraient besoin de nouer plus d'une symétrie temporelle dans le brin ionique pour réduire les risques de brouillage du système. Pour ce faire, ils ont décidé de trouver un modèle d'impulsion qui ne se répétait pas simplement et régulièrement, mais qui présentait n éanmoins une sorte de symétrie plus élevée dans le temps.

Un pavage de Penrose construit à partir de losanges de formes différentes. Ces figures permettent notamment de visualiser la structure périodique des quasi-cristaux.

Cela les a conduits à la série de Fibonacci, dans laquelle le numéro suivant de la séquence est créé en ajoutant les deux précédents. Alors qu'une simple impulsion laser périodique peut simplement alterner entre deux sources laser (A, B, A, B, A, B, etc.), leur nouveau train d'impulsions fonctionne plutôt en combinant les deux impulsions précédentes (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA, etc.).

Cette impulsion de Fibonacci créa une symétrie temporelle qui, tout comme un quasi-cristal dans l'espace, s'est organisée sans jamais se répéter. Et tout comme un quasi-cristal, les impulsions de Fibonacci écrasent également un motif de dimension supérieure sur une surface de dimension inférieure. Dans le cas d'un quasi-cristal spatial tel que le pavage de Penrose (cf. aussi ces animations et cette programmation en Python), une tranche d'un réseau à cinq dimensions est projetée sur une surface à deux dimensions. En regardant le modèle d'impulsion de Fibonacci, on observe deux symétries temporelles théoriques s'aplatir en une seule physique.

Selon les chercheurs, "Le système obtient essentiellement une symétrie supplémentaire d'une dimension temporelle supplémentaire inexistante." Le système apparaît comme un matériau qui existe dans une dimension supérieure avec deux dimensions de temps - même si cela peut être physiquement impossible dans la réalité.

Lorsque l'équipe l'a testé, la nouvelle impulsion quasi-périodique de Fibonacci créa une phase topographique qui protégea le système contre la perte de données pendant les 5.5 secondes que dura le test; la phase était insensible à la décohérence bien plus longtemps que les autres.

Selon Dumitrescu, "Avec cette séquence quasi-périodique, il y a une évolution compliquée qui annule toutes les erreurs qui vivent sur le bord. A cause de cela, le bord reste cohérent sur le plan de la mécanique quantique beaucoup, beaucoup plus longtemps que prévu."

Bien que les physiciens aient atteint leur objectif, un obstacle intellectuel demeure pour faire de leur phase un outil utile pour les programmeurs quantiques : l'intégrer dans la partie informatique de l'informatique quantique afin qu'il puisse être utilisé avec des calculs.

Selon Dumitrescu, "Nous avons cette application directe et alléchante, mais nous devons trouver un moyen de l'intégrer dans les calculs. C'est un problème ouvert sur lequel nous travaillons." Si on y arrive, on pourra stocker des informations d'une manière beaucoup mieux protégée contre les erreurs, ouvrant ainsi la voie à des ordinateurs quantiques capables de conserver des données pendant une longue période sans décohérence.

Créer une surface courbe sans distorsions physiques

Dans une certaine mesure, la géométrie, les surfaces courbes et autres géodésiques qui relèvent des mathématiques et de la topologie ont un lien avec la physique quantique, en particulier quand elles concernent l'univers des particules. Une nouvelle découverte nous éclaire sur les relations entre ces domaines et disciplines.

Selon l'idée traditionnelle, pour créer un espace courbe il faut déformer un espace plat en le pliant ou en l'étirant. Dans un article publié dans la revue "Nature Communications" en 2022, l'équipe de Qi Zhou, professeur de physique et d'astronomie à l'Université de Purdue a développé une nouvelle technique pour créer des espaces courbes qui apporte également une réponse à un vieux mystère de la physique.

Les chercheurs ont découvert que la dualité entre la non-hermiticité et les espaces courbes offre un nouveau cadre théorique pour unifier la physique hermitienne et non hermitienne. Ils ont développé une méthode utilisant la non-hermiticité, qui se produit dans tous les systèmes couplés à des environnements, pour construire une surface hyperbolique et un certain nombre d'autres espaces courbes prototypiques sans provoquer de distorsions physiques des systèmes physiques. Cette découverte pourrait révolutionner notre compréhension de la distance.

Selon Qi Zhou, "Notre travail peut révolutionner la compréhension du grand public des courbures et de la distance. Il a également répondu à des questions de longue date sur la mécanique quantique non hermitienne en faisant le pont entre la physique non hermitienne et les espaces courbes. Ces deux sujets étaient supposés complètement déconnectés. Les comportements extraordinaires des systèmes non hermitiens, qui ont intrigué les physiciens pendant des décennies, ne deviennent plus mystérieux si nous reconnaissons que l'espace a été courbé. En d'autres termes, la non-hermiticité et les espaces courbes sont duels l'un à l'autre, étant les deux faces d'une même pièce."

Il faut d'abord comprendre la distinction entre les systèmes hermitiens et non hermitiens en physique afin de comprendre cette découverte. Zhou l'explique en utilisant l'exemple d'une particule quantique qui peut "sauter" entre plusieurs emplacements sur un réseau.

Si la probabilité pour une particule de sauter dans un sens est la même que la probabilité de sauter dans l'autre sens, alors l'hamiltonien est hermitien. Si ces deux probabilités sont différentes, l'hamiltonien est non hermitien. C'est la raison pour laquelle dans le schéma présenté à droite, Chenwei Lv et Ren Zhang ont utilisé des flèches de tailles et d'épaisseurs différentes pour indiquer les probabilités de saut dans des sens opposés.

Un demi-plan de Poincaré appartient aux géométries hyperboliques (non euclidiennes). Il peut être visualisé à l'arrière-plan sur une surface courbe. Les "courbes" ou géodésiques blanches de la surface courbe sont analogues aux lignes droites dans un espace plat. Les boules blanches se déplaçant vers la droite démontrent l'origine géométrique de l'effet pelliculaire (skin effect) extraordinaire en physique non hermitienne. Document Q.Zhou et al. (2022).

Selon Lv, "Les manuels typiques de mécanique quantique se concentrent principalement sur les systèmes gouvernés par des hamiltoniens qui sont hermitiens."

"Une particule quantique se déplaçant dans un réseau doit avoir une probabilité égale de tunnel dans les sens gauche et droit. Alors que les hamiltoniens hermitiens sont des cadres bien établis pour l'étude des systèmes isolés, les couplages avec l'environnement conduisent inévitablement à des dissipations dans les systèmes ouverts, qui peuvent donner naissance à des hamiltoniens qui ne sont plus hermitiens. Par exemple, les amplitudes d'effet tunnel dans un réseau ne sont plus égales dans des sens opposés, un phénomène appelé effet tunnel non réciproque. Dans de tels systèmes non hermitiens, les résultats des manuels familiers ne s'appliquent plus et certains peuvent même sembler complètement opposés à ceux des systèmes hermitiens. Par exemple, les états propres des systèmes non hermitiens ne sont plus orthogonaux, contrairement à ce que nous avons appris en première classe d'un cours de mécanique quantique de premier cycle. Ces comportements extraordinaires des systèmes non hermitiens intriguent les physiciens depuis des décennies, mais de nombreuses questions en suspens restent ouvertes."

Le travail fournit par Zhou et ses collègues donne une explication sans précédent des phénomènes quantiques fondamentaux non hermitiens. Ils ont découvert qu'un hamiltonien non hermitien incurve l'espace où réside une particule quantique. Par exemple, une particule quantique dans un réseau avec effet tunnel non réciproque se déplace en fait sur une surface courbe. Le rapport des amplitudes d'effet tunnel dans un sens à celle dans le sens opposé contrôle la taille de la surface incurvée.

Dans de tels espaces courbes, tous les phénomènes étranges non hermitiens, dont certains peuvent même paraître non physiques, deviennent immédiatement naturels. C'est la courbure finie qui nécessite des conditions orthonormées distinctes de leurs homologues dans les espaces plats. En tant que tels, les états propres n'apparaîtraient pas orthogonaux si nous utilisions la formule théorique dérivée pour les espaces plats. C'est aussi la courbure finie qui donne lieu à l'extraordinaire effet de peau non hermitien que tous les états propres concentrent près d'un bord du système.

Selon Zhang, "Cette recherche est d'une importance fondamentale et ses implications sont doubles. D'une part, cela établit la non-hermiticité comme un outil unique pour simuler des systèmes quantiques intrigants dans des espaces courbes. La plupart des systèmes quantiques disponibles dans les laboratoires sont plats et cela nécessite souvent des efforts importants pour accéder aux systèmes quantiques dans des espaces courbes. Nos résultats montrent que la non-hermiticité offre aux expérimentateurs un bouton supplémentaire pour accéder et manipuler les espaces courbes."

"Un exemple est qu'une surface hyperbolique pourrait être créée et ensuite être parcourue par un champ magnétique. Cela pourrait permettre aux expérimentateurs d'explorer les réponses des états Hall quantiques aux courbures finies, une question en suspens en physique de la matière condensée. D'autre part, la dualité permet aux expérimentateurs d'utiliser des espaces courbes pour explorer la physique non hermitienne. Par exemple, nos résultats offrent aux expérimentateurs une nouvelle approche pour accéder à des points exceptionnels en utilisant des espaces courbes et améliorer la précision des capteurs quantiques sans recourir aux dissipations."

A l'avenir, les chercheurs de l'équipe de Zhou continueront à explorer théoriquement davantage de liens entre la physique non hermitienne et les espaces courbes. Ils espèrent également contribuer à combler le fossé entre ces deux sujets de physique et à rapprocher ces deux communautés différentes dans le cadre de recherches futures.

Les chercheurs espèrent que d'autres physiciens exploreront le sujet dans d'autres directions et de manière plus approfondie. Les physiciens qui étudient les espaces courbes pourraient par exemple utiliser leurs appareils pour répondre à des questions difficiles en physique non hermitienne.

De plus, les physiciens travaillant sur des systèmes non hermitiens pourraient adapter les dissipations pour accéder à des espaces courbes non triviaux qui ne peuvent pas être facilement obtenus par des moyens conventionnels.

Découverte du boson de Higgs axial

Dans un article publié dans la revue "Nature" en 2022 (en PDF sur arXiv), Kenneth Burch, professeur de physique au Boston College du Massachusetts et ses collègues ont annoncé la découverte d'une nouvelle particule qui est un parent magnétique du boson de Higgs. Alors que la découverte du boson de Higgs nécessitait toute la puissance d'accélération du LHC, cette nouvelle particule appelée le boson de Higgs axial a été découverte à l'aide d'une expérience qui tient sur une table.

Le mode de Higgs a également été observé dans les systèmes magnétiques supraconducteurs à ondes de densité de charge (CDW, c'est-à-dire des ondes d'électrons). Par "mode" on entend une oscillation de type Higgs dans un objet constitué d'atomes - un analogue du boson de Higgs trouvé dans un matériau physique. Ce type de mode de Higgs ne peut pas exister en dehors de ce matériau.

En fait, cette découverte n'a rien à voir directement avec le boson de Higgs comme certains le sous-entendent. De plus, les chercheurs n'ont pas réellement découvert une particule mais plus exactement un état d'excitation quantique.

Le boson de Higgs axial diffère du boson de Higgs découvert au LHC en 2012, car il possède un moment magnétique, une force magnétique ou une orientation qui crée un champ magnétique. En tant que tel, il nécessite une théorie plus complexe pour le décrire que son cousin non magnétique.

Pour rappel, aux premiers instants de l'Univers, il n'y avait pratiquement pas de distinction entre les forces et les particules; les interactions étaient unies et toutes les particules étaient presque identiques. Au fur et à mesure que l'Univers se refroidit, il y eut plusieurs brisures de symétrie dont une au cours de laquelle les interactions électrofaible et forte se sont séparées de la GUT (Théorie de Grande Unification). Cela conduisit les bosons W et Z à interagir avec le champ de Higgs pour acquérir leur masse et à se comporter très différemment des photons.

Le boson de Higgs est produit dans la nature chaque fois qu'une telle symétrie est brisée. Généralement, une seule symétrie est brisée à la fois, et donc le Higgs est simplement décrit par son énergie. Toutefois, la théorie derrière le boson de Higgs axial est plus compliquée.

Selon Burch, "Dans le cas du boson de Higgs axial, il semble que plusieurs symétries soient rompues ensemble, conduisant à une nouvelle forme de théorie et à un mode de Higgs [les oscillations spécifiques d'un champ quantique comme le champ de Higgs] qui nécessite plusieurs paramètres pour le décrire. : spécifiquement, l'énergie et le moment magnétique."

L'expérience

L'étude visait à découvrir les propriétés vectorielles d'un mode de Higgs à faible énergie au moyen d'expériences qui vont au-delà des techniques spectroscopiques ou de diffusion classiques. Mais toute la difficulté pour le détecter est qu'il n'apparaît que dans une onde de densité de charge, c'est-à-dire lors de la rupture d'une excitation collective d'une onde d'électrons. Ensuite, il faut pouvoir l'isoler des autres signaux et du bruit ambiant.

Spectres Raman à 300 K du GdTe3. Le tracé supérieur est pris en polarisation linéaire parallèle. Le mode de Higgs est ombré en rouge. Le tracé du bas est pris en polarisation linéaire croisée (lumière incidente alignée avec la direction a'=45° par rapport à l'axe a et lumière diffusée le long de la direction b'=45° par rapport à l'axe a).  Document K.Burch et al. (2022) adapté par l'auteur.

Le boson de Higgs ne se couple pas directement avec les photons et est difficile à créer. En revanche, selon les chercheurs, le boson de Higgs axial est apparu dans des matériaux quantiques à température ambiante, lorsque les matériaux imitaient des oscillations CDW. Les chercheurs ont ensuite utilisé la diffusion de la lumière pour observer l'état d'excitation. Les chercheurs ont découvert un mode de Higgs axial dans du RTe3 (avec R=La, Gd) grâce aux interférences quantiques.

Selon Burch, "Nous avons trouvé le boson de Higgs axial à l'aide d'une expérience d'optique de table qui repose sur une table mesurant environ un mètre de côté en se concentrant sur un matériau doté d'une combinaison unique de propriétés. Plus précisément, nous avons utilisé du tritelluride de terres rares (RTe3) [un matériau quantique avec une structure cristalline hautement 2D]. Les électrons de RTe3 s'auto-organisent en une onde où la densité de la charge est périodiquement augmentée ou réduite3) [un matériau quantique avec une structure cristalline hautement 2D]. Les électrons de RTe3 s'auto-organisent en une onde où la densité de la charge est périodiquement augmentée ou réduite."

La taille des oscillations CDW qui émergent au-dessus de la température ambiante peut être modulée dans le temps, produisant le mode de Higgs axial.

Les chercheurs ont créé le mode de Higgs axial en envoyant un rayon laser de 700 μW dans un cristal de RTe3. La lumière changea de fréquence (de couleur) dans un processus connu sous le nom de diffusion Raman. Elle fut ensuite analysée par un spectromètre équipé d'un réseau de diffraction. C'est l'énergie perdue lors du changement de fréquence qui créa le mode de Higgs axial.

Les chercheurs on ensuite fait tourner le cristal pour étudier sa polarisation et ont découvert que le mode de Higgs axial contrôle également le moment cinétique des électrons, c'est-à-dire la vitesse à laquelle ils se déplacent dans le matériau, ce qui signifie que ce mode doit également être magnétique.

Selon Burch, "À l'origine, nous étudiions simplement les propriétés de diffusion de la lumière de ce matériau. En examinant attentivement la symétrie de la réponse - en quoi elle différait lorsque nous faisions pivoter l'échantillon - nous avons découvert des changements anormaux qui étaient les premiers indices de quelque chose de nouveau. En tant que tel, il s'agit du premier Higgs magnétique de ce type à être découvert et indique que le comportement collectif des électrons dans le RTe3 ne ressemble à aucun état précédemment observé dans la nature3 ne ressemble à aucun état précédemment observé dans la nature."

Les physiciens des particules avaient déjà prédit un mode de Higgs axial et l'avaient considéré comme un candidat possible de la matière sombre, mais c'est la première fois qu'il est observé. C'est aussi la première fois que des scientifiques observent un état avec de multiples symétries brisées.

Parmi les recherches à venir, sachant que les brisures de symétrie font partie des théories physiques actuelles, cela pourrait être un moyen de créer des particules jusqu'ici invisibles qui pourraient expliquer la matière sombre. En effet, selon Burch, "L'idée de base est que pour expliquer la matière sombre, vous avez besoin d'une théorie cohérente avec les expériences de particules existantes, mais produisant de nouvelles particules qui n'ont pas encore été observées." L'ajout de cette brisure de symétrie supplémentaire via le mode de Higgs axial est un moyen d'y parvenir.

Première observation de l'effet de "cône mort"

La collaboration ALICE du LHC du CERN a réalisé la première observation directe de l'effet de "cône mort" (dead cone), une caractéristique fondamentale de la théorie de la force forte qui lie les quarks et les gluons ensemble en protons, neutrons et finalement, tous les noyaux atomiques (cf. le modèle Standard des particules). En plus de confirmer cet effet très attendu, l'observation fournit un accès expérimental direct à la masse du quark charm (ou charmé) avant qu'il soit confiné à l'intérieur des hadrons. Cette découverte fit l'objet d'un article publié dans la revue "Nature" en 2022.

Selon Luciano Musa, porte-parole d'ALICE, "Il a été très difficile d'observer directement le cône mort. Mais en utilisant les données de trois années de collisions proton-proton au LHC et des techniques sophistiquées d'analyse des données, nous avons finalement pu le découvrir."

Pour rappel, les quarks et les gluons sont produits lors de collisions de particules. Après leur création, ces particules él"mentaires subissent une cascade d'évènements appelés une gerbe ou pluie de partons, au cours de laquelle ils perdent de l'énergie en émettant un rayonnement sous forme de gluons, qui émettent à leur tout des gluons. Le diagramme de rayonnement de cette gerbe dépend de la masse du parton émetteur de gluons et affiche une région autour de la direction de vol du parton où l'émission de gluons est atténuée ou supprimée, c'est le cône mort. Selon Andreas Morsch de la Collaboration ALICE, "C'est un peu comme si vous donniez au quark une lampe de poche mais qu'il n'avait pas le droit de diriger son faisceau dans une certaine direction. À la différence que les photons émis par la lampe de poche sont des gluons."

Prédit dans les années 1990 à partir de la théorie de l'interaction forte ou CDQ (cf. Y.L. Dokshitzer et al., 1991), le cône mort a été indirectement observé dans les collisionneurs de particules. Cependant, il est resté difficile de l'observer directement à partir du diagramme de rayonnement des gerbes de partons. Les principales raisons sont que le cône mort peut être composé de particules dans lesquelles le parton émetteur se transforme, et qu'il est difficile de déterminer le changement de direction du parton tout au long du processus de désintégration.

Schémas détaillants la reconstruction du quark charm en gerbe de partons. A gauche, les panneaux supérieurs montrent la procédure initiale de "reclustering" ou regroupement au cours de laquelle les partons séparés par les angles les plus petits sont réunis en premier. Une fois le reclustering terminé, la procédure de décroissance est inversée et retracée en remontant le temps. Chaque nœud de division est numéroté en fonction de la gerbe de partons dans laquelle elle est reconstruite. A chaque séparation, l'énergie du quark charm (E Radiator,n) est réduite et le gluon est émis sous un angle (θn) plus petit par rapport aux émissions précédentes. La masse du quark lourd (mQ) reste constante tout au long du processus de gerbe. À chaque division, les émissions de gluons sont supprimées dans la région du cône mort (représentée par un cône rouge pour la dernière division), dont l'angle augmente à mesure que l'énergie du quark diminue au fil de la gerbe. A droite, une représentation dans l'espace. Documents Collaboration ALICE (2022) adaptés par l'auteur.

La Collaboration ALICE a surmonté ces défis en appliquant des techniques d'analyse de pointe à un large échantillon de collisions proton-proton réalisées au LHC, profitant d'une énergie dans le centre de masse de 13 TeV.

Comme illustré ci-dessus, ces techniques ont permis de remonter la gerbe partonique dans le temps à partir de ses produits finaux laissés dans le détecteur ALICE sous forme de jets de particules. En recherchant des jets comprenant une particule contenant un quark charm, les chercheurs ont pu identifier un jet créé par ce type de quark et retracer toute l'histoire des émissions de gluons à partir de ce quark. Sachant que le cône mort est proportionnel à la masse du quark, l'angle étant plus grand pour les quarks lourds que pour les quarks léger, une comparaison entre le modèle d'émission de gluons du quark charm avec celui des gluons et des quarks plus légers permit ensuite de révéler un cône mort dans le modèle du quark charm.

Le résultat permet également de calculer directement la masse du quark charm car la théorie prédit que les particules sans masse n'ont pas de cônes morts correspondants. La masse de repos du quark charm est de 1.28 ±0.02 GeV/c2 et celle du quark bottom (beauty) de 4.18 +0.03-0.02 GeV/c2.

Selon Andrea Dainese, coordinatrice physique d'ALICE, "Les masses des quarks sont des quantités fondamentales en physique des particules, mais elles ne peuvent pas être consultées ni mesurées directement dans les expériences car, à l'exception du quark top, les quarks sont confinés à l'intérieur de particules composites. Notre technique pour observer directement le cône mort d'une gerbe de partons peut offrir un moyen de mesurer les masses des quarks."

Divergence sur la masse du boson W

Après 10 ans d'analyses et d'examens minutieux des données de l'accélérateur de particules Tevatron du Fermilab, les chercheurs de la collaboration CDF du FNAL (Fermi National Accelerator Laboratory) géré par le DoE ont annoncé qu'ils avaient réalisé la mesure la plus précise à ce jour de la masse (l'énergie de repos) du boson W, l'un des vecteurs de l'interaction faible. En utilisant les données recueillies par le CDF (Collider Detector at Fermilab), les chercheurs ont réussi à calculer la masse du boson W avec une précision de 0.01%, soit 1 chance sur 10000 que les données soient compatibles avec les prédictions du modèle Standard. Cette mesure est deux fois plus précise que la meilleure mesure précédente faite avec le détecteur ATLAS du CERN

Le modèle Standard des particules impose des contraintes strictes sur la masse du boson W. Étonnamment, la masse mesurée par les différentes expériences est significativement plus élevée (avec un écart-type de 7σ) que ce que prédit le modèle Standard.

Sur base de l'analyse des données rassemblées par les 397 chercheurs de la collaboration CDF en 2012, les chercheurs ont publié une nouvelle mesure de sa masse dans un article publié dans la revue "Science" en 2022. Le résultat est basé sur l'observation de 4.2 millions de candidats bosons W, soit environ quatre fois plus que lors de l'expérience de 2012.

La masse du boson W (en MeV/c2) calculée au cours des différentes expériences s'écarte significativement de la valeur prédite par le modèle Standard. Document Coll. CDF (2022) adapté par l'auteur.

Selon les chercheurs, "En utilisant des données correspondant à 8.8 femtobarns inverses (fb-1) de luminosité intégrée collectés dans des collisions proton-antiproton à une énergie de centre de masse de 1.96 TeV avec le détecteur CDF II du collisionneur Tevatron du Fermilab Tevatron, un échantillon d'environ 4 millions de bosons W candidats fut utilisé pour obtenir MW = 80433.5 ±9.4 MeV/c2, dont la précision dépasse celle de toutes les mesures précédentes combinées. Cette mesure est en tension significative avec l'attente du modèle Standard." Cette masse représente environ 80 fois celle du proton (valant 938.21 MeV/c2).

Cette valeur est basée sur des calculs complexes du modèle Standard qui relient étroitement la masse du boson W aux mesures des masses du quark top découvert grâce au Tevatron du Fermilab en 1995 et celle du boson de Higgs découvert au LHC du CERN en 2012.

Par comparaison, la nouvelle mesure obtenue au CERN après la publication de l'article du CDF est de 80354 ±32 MeV/c2, très proche du modèle Standard qui est de 80357 ±6 MeV/c2, mais l'écart-type est supérieur à la mesure du CDF, ce qui l'entache d'une sérieuse incertitude.

Selon Giorgio Chiarelli de l'Institut National Italien de Physique Nucléaire (INFN-Pise) et coporte-parole du CDF, "De nombreuses expériences de collisionneurs ont produit des mesures de la masse du boson W au cours des 40 dernières années. Ce sont des mesures difficiles et compliquées, et elles ont atteint une précision toujours plus grande. Il nous a fallu de nombreuses années pour passer en revue tous les détails et les vérifications nécessaires. C'est notre mesure la plus robuste à ce jour, et l'écart entre les valeurs mesurées et attendues persiste."

Selon Ashutosh V. Kotwal de l'Université de Duke qui dirigea cette analyse, "le nombre de candidats pris en considération et les améliorations des vérifications supplémentaires du résultat sont énormes."

La nouvelle valeur est en accord avec de nombreuses mesures précédentes de la masse du boson W, mais il y a aussi quelques divergences.

Selon Joe Lykkne du Fermilab, "Bien qu'il s'agisse d'un résultat intrigant, la mesure doit être confirmée par une autre expérience avant de pouvoir être pleinement interprétée." Si elle est confirmée, cette mesure suggère qu'il faut encore améliorer les calculs du modèle Standard ou envisager son extension. En effet, les physiciens interprètent ces différences entre les valeurs expérimentales et la valeur attendue à l'existence éventuelle d'une nouvelle particule ou d'une nouvelle interaction fondamentale.

Conclusion, avant d'évoquer une nouvelle particule ou une physique exotique, des nouvelles mesures seront nécessaires pour élucider ce mystère.

L'universalité des leptons invalidée par le LHCb

Le modèle Standard des particules prédit que les différents leptons chargés, l'électron, le muon et le tauon (ou méson tau), présentent des forces d'interaction électrofaible identiques. Autrement dit, ils interagissent tous de la même manière avec les autres particules. Par conséquent, les différents types de leptons devraient, sous réserve de leurs différences de masse (cf. ce tableau), être créés avec la même fréquence lors des transformations ou des désintégrations de particules. Et de fait, jusqu'ici les mesures avaient montré qu'un très large éventail de désintégrations de particules est compatible avec ce qu'on appelle le "principe d'universalité de la saveur des leptons" ou l'universalité des leptons pour faire court.

Toutefois, en 2014 au cours d'une nouvelle expérience de collision proton-proton réalisée par la collaboration LHCb du CERN et reprise ensuite par d'autres équipes de physiciens à travers le monde, les chercheurs ont constaté que les quarks b (bottom ou beauty) se désintégraient de manière inattendue, mettant en évidence une possible différence de comportement entre les différents types de leptons.

Les mesures portent sur des processus au cours desquels interagissent des baryons b ou des mésons b (des particules composites contenant au moins un quark b ou selon le cas) dans lesquels le quark b () se transforme en un quark s () avec l'émission de leptons, soit d'un électron et d'un positon, soit d'un muon et d'un antimuon. Voici deux réactions de décroissance d'un méson B+ (u) et d'un baryon Λ0b (bdu) en kaon chargé K+ (u) ou K- (s) et en pion π chargé (d ou u) :

B+  →  K+  +  μ+μ-  et  B+  →  K+  +  e+e-

Λ0b  →  Λc+  + K+  +  π+  et  Λ0b  →  Λc+  +  K- + π-

En filtrant les données de collisions pp à des énergies de 7, 8 et 13 TeV, la collaboration LHCb a identifié des baryons b appelés Λb (ou Λ0b) et ont calculé la probabilité avec laquelle ils se désintégraient en kaon chargé et leptons, soit une paire de muon-antimuon soit en une paire d'électron-antiélectron (comme on le voit ci-dessus, Λ0b décroît également en charmonium Λc+ ou J/ψ composé des quarks c).

L'équipe a ensuite calculé le rapport entre ces deux taux de désintégration. Si l'universalité des leptons résiste au test, ce rapport devrait être proche de 1. Une déviation par rapport à cette prédiction pourrait par conséquent signaler une violation du principe de l'universalité des leptons.

A consulter : Large Hadron Collider beauty experiment, CERN

Le détecteur LHCb du CERN. Il permet d'étudier les propriétés des particules et des anti-particules ainsi que les désintégrations rares des mésons b et c. L'image de droite fut prise en septembre 2016 lors d'un arrêt technique. Documents CERN/IN2P3 et CERN.

Les chercheurs ont obtenu un rapport légèrement inférieur à 1, avec écart-type d'environ 1σ, bien en dessous de la norme de 5σ (soit 1 chance sur 3.5 millions qu'il s'agisse de l'effet du hasard) nécessaire pour annoncer une réelle différence entre les taux de désintégration. Les chercheurs notent cependant que ce résultat va de nouveau dans le même sens que les résultats antérieurs qui ont montré des indices selon lesquels les désintégrations en une paire de muon-antimuon sont moins fréquentes que celles en une paire d'électron-antiélectron.

Ce résultat est étrange car le muon est essentiellement une "copie" de l'électron, identique en tous points sauf qu'il est environ 200 fois plus lourd. On s'attendrait à ce que les quarks b se désintègrent en muons aussi souvent qu'ils le font en électrons.

Prises séparément, ces mesures n'avaient pas une signification statistique suffisante pour indiquer une violation de l'universalité des leptons, et donc une faille dans le modèle Standard, mais il était intriguant que des signes d'une différence se répètent dans diverses désintégrations de particules et au cours de plusieurs expériences.

En 2019, la collaboration LHCb a de nouveau effectué la même expérience de désintégration des quarks b, mais cette fois avec des données supplémentaires enregistrées en 2015 et 2016. Les résultats indiquent également une différence dans le taux de désintégration des quarks b, cette fois avec un écart-type de 3.1σ, soit 1 chance sur 10000 (une probabilité d'environ 0.1%) que les données soient l'effet du hasard. C'est toujours insuffisant pour annoncer une découverte, mais on s'approche d'une valeur significative (cf. Collaboration LHCb, 2022, en PDF sur arXiv).

Sans l'annoncer officiellement mais en publiant malgré tous plusieurs articles académiques sur le sujet, le CERN confirme qu'il y a donc une rupture de l'universalité des leptons dans les désintégrations des quarks bottom. Reste à comprendre pourquoi ou plus exactement à cause de quoi ?

La seule façon d'expliquer ces désintégrations à des taux différents serait la présence durant les interactions d'une nouvelle particule non détectée et non prédite par le modèle Standard qui serait favorable aux électrons au détriment des muons. On évoque par exemple un hypothétique boson Z' ou un leptoquark (qui a la capacité unique de se désintégrer simultanément en quarks et en leptons). Cela pourrait aussi signifier qu'il existerait une cinquième interaction fondamentale (cf. l'expérience Muon g-2).

Selon les chercheurs, "Si le résultat est confirmé par de futures mesures, cette violation de l'universalité des leptons impliquerait une physique au-delà du modèle Standard, telle qu'une nouvelle interaction fondamentale entre les quarks et les leptons."

Mais il faut se méfier des interprétations et des conclusions hâtives. Nous verrons à propos de l'éventuelle cinquième interactions fondamentale, que ces résultats ne sont pas encore la preuve d'une nouvelle physique et ne signent pas encore la fin du modèle Standard.

Deuxième partie

Le boson de Higgs aurait empêché notre univers de s'effondrer

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