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La physique quantique

Au-delà du modèle Standard (VI)

L'hypothétique boson de Madala

Le boson de Higgs pourrait ne pas être la fin de l'histoire. Dans les prochaines années et décennies on s'attend à découvrir d'autres particules qui exigeront d'affiner nos théories actuelles. Ainsi, on espère par exemple que les nouvelles expériences confirmeront notamment ce qu'on appelle "l'hypothèse de Madala" qui prédit l'existence du boson de Madala, plus lourd et qui se désintègre en boson de Higgs. Cette particule qui n'appartient pas au modèle Standard n'interagirait qu'avec la matière sombre qui constitue 27% de l'Univers.

Les données obtenues lors du Run I des expériences ATLAS et CMS du CERN en 2012, 2015 et 2016 par des chercheurs du groupe HEP (High Energy Physics) de l'Université de Witwatersrand en Afrique du Sud suggèrent avec 99.7% de confiance que cette particule existerait. Sa masse de repos est d'environ 272 GeV, soit le double du boson de Higgs.

En décembre 2015, les détecteurs ATLAS et CMS détectèrent un "blip" à ~750 GeV qui pouvait théoriquement être la signature d'une nouvelle particule très massive et pourquoi pas du boson de Madala. Mais plus tard, le CERN annonça qu'il s'agissait d'une erreur statistique, "Sorry guys" écrivirent-ils sur Tweeter en septembre 2016.

A gauche, graphique supportant l'existence du boson de Madala à 272 GeV. A droite, traces extraites des données d'ATLAS suggérant l'existence d'un autre boson plus massif (les trois flèches vertes) mais qui s'avéra finalement être un mirage... Documents SA-CERN (2015).

En attendant sa découverte, à partir des données actuelles les physiciens Geoff Beck et Sergio Colafrancesco ont calculé en 2017 que ni ce boson de Madala ni un hypothétique boson S tout aussi massif ne pourraient expliquer la matière noire, à moins que leur masse dépasse les 200 GeV mais actuellement il reste trop d'inconnues pour établir des prédictions fiables.

Comme le disait le physicien Guido Tonelli de l'Université de Pise, un des leaders de la découverte du boson de Higgs dans le "New York Times" en 2013 : "Nous avons fait de nombreuses découvertes, la plupart fausses".

Bref, les recherches continuent.

XFEL à la recherche du leptoquark

Parmi les extensions hypothétiques du modèle Standard, il y a les fameuses théories de Grande Unification évoquées en cosmologie quantique qui auraient également besoin de bosons vecteurs. Nous l'avons écrit au conditionnel car, ainsi que nous allons le découvrir dans la théorie du Big Bang, nous sommes encore loin de la théorie à la pratique. Les physiciens parlent d’une particule "X" ou "Y", le leptoquark dont la masse serait 1014 fois supérieure à celle du proton, soit environ 250 MeV maximum, et dont la durée de vie serait donc inversement proportionnelle à son énergie de repos.

Le tunnel d'HERA au début des années 2000, aujourd'hui remplacé par XFEL. Document Welt de Physik.

Le leptoquark est une particule ayant les caractéristiques du lepton et du quark. Elle apparaîtrait dans les collisions lepton-proton dans une physique actuellement inaccessible au modèle Standard.

Le rôle du leptoquark consisterait à désintégrer le proton. En effet, avec une durée de vie de 10-35 s, ce boson "X" ne peut parcourir que 10-25 cm. Statistiquement, il a une chance de rencontrer deux des trois quarks du proton et de les transmuter en un antiquark et un positron. Le proton se transforme alors en un pion qui finit sa courte existence sous forme de photon. Le résultat de cette réaction est la mort du proton. Selon toute vraisemblance cela ne devrait pas survenir avant 1031 ans. On y reviendra en cosmologie.

Le collisionneur lepton-proton HERA (Hadron Electron Ring Anlage) installé dans le laboratoire DESY (Deutsches Electronen SYnchrotron) dans la banlieu de Hambourg en Allemagne fut opérationnel entre 1992 et 2007. HERA accélérait les électrons jusqu'à une énergie de 27.5 GeV dans le centre de masse et les protons jusqu'à 920 GeV. L'énergie de 318 GeV dans le centre de masse permettait d'agrandir la région cinétique d'un ordre de grandeur par rapport aux installations existantes. HERA était en mesure de découvrir les traces de ce leptoquark. Mais aucun évènement de ce type ne fut détecté. 

En 2017, HERA fut remplacé par l'accélérateur linéaire d'électrons XFEL. A l'époque de son inauguration, ce projet européen auquel participe la Russie (27%) avait coûté 1.22 milliard d'euros. Cette installation analyse les collisions entre électrons ou positrons accélérés jusqu'à une énergie de 17.5 GeV. XFEL est également utilisé dans le domaine de la recherche en biochimie. Il permet par exemple d'enregistrer grâce à un flash ultrarapide (27000 flashes ou impulsions/seconde) des réactions chimiques quasi instantanées et de prendre des images de protéines jusqu'à l'échelle atomique ou d'analyser les plus petits détails des nanomatériaux. Son laser à rayons X est actuellement le plus lumineux du monde.

Mais où sont passées les particules exotiques ?

Quand on évoque le modèle Standard des particules élémentaires, cela sous-entend qui existerait des modèles concurrents faisant appel à une physique non conventionnelle et donc à des particules dites "exotiques" car n'existant pas (encore) dans le bestiaire quantique.

Etant donné que le modèle Standard est incapable d'expliquer l'origine de la masse des particules parmi d'autres questions ouvertes, les physiciens doivent trouver des réponses au-delà du modèle Standard pour mieux comprendre l'univers.

Ces théories qui vont au-delà du modèle Standard font partie d'une classe de concepts appelée la supersymétrie. Dans ces modèles dont SUZY et la supergravité font partie, les particules sont également divisées en deux catégories : les bosons et les fermions entrevus précédemment à la différence que chaque boson et chaque fermion est associé à un partenaire supersymétrique comme l'indique le tableau présenté à gauche. Malheureusement, à ce jour aucune de ces "superparticules" ou "sparticules" n'a été découverte pour la simple raison qu'elles sont beaucoup plus massives et plus étranges que les particules ordinaires.

Rappelons que la différence de masse entre les particules et leurs partenaires supersymétrique est le résultat de ce qu'on appelle une brisure de symétrie (cf. les mécanismes de Higgs). Cela signifie qu'à très hautes énergies, les relations entre les particules et leurs superpartenaires sont homogènes, conduisant à des masses égales. En revanche, à basses énergies (celles qu'on rencontre dans la vie quotidienne), cette symétrie est brisée, phénomène qui provoqua la création de toute une série de particules partenaires. Ce mécanisme est important car il peut également expliquer pourquoi, par exemple, la gravité est tellement plus faible que les autres interactions. Pour le dire rapidement : quelque chose s'est brisé dans l'univers, rendant les particules normales moins contraignantes que leurs superpartenaires. Cette brisure de symétrie a peut-être écarté la gravité en diminuant l'intensité de sa force par rapport aux autres interactions.

Pour tenter de débusquer ces particules supersymétriques, les physiciens du CERN disposent du LHC. Mais après des années de recherche, ils sont arrivés à la conclusion que tous les modèles de supersymétrie étaient faux. Pourquoi ? Tout simplement parce qu'ils n'ont trouvé aucune particule supersymétrique prédite par la théorie : Nihil. Rien, aucune particule exotique.

Faute d'élu, bon nombre de ces concepts ont été écartés ces dernières années ou leur champ d'application fut strictement limité. En effet, à ce jour aucune expérience n'a pas permis de découvrir la moindre particule supersymétrique très massive et donc à courte vie.

Cela ne signifie pas nécessairement que la supersymétrie est fausse en soi, mais tous les modèles les plus simples ont maintenant été exclus du champ des recherches. Cela signifie-t-il qu'il faut abandonner l'idée de la supersymétrie ? Peut-être pas car il existe encore une voie de recherche, celle des superparticules à longue vie. Mais comment les débusquer ?

Diagrammes représentant deux modèles simplifiés de production directe de paires de squark top (ou stop). Au-dessus, la paire stop (P1P2) décroît en quark top (t) tandis qu'en dessous elle décroit via des charginos (winos W chargés combinés à des higgsinos χ chargés). Document Coll.ATLAS.

En physique quantique, plus une particule est massive, plus elle est instable et plus vite elle se décompose en particules plus simples et plus légères. Les superparticules étant a priori très massives (sinon les physiciens les auraient déjà détectées), on s'attend à ce qu'elles se désintègrent rapidement en gerbes d'autres particules connues que le détecteur ATLAS notamment serait capable d'identifier puisqu'il fut construit dans ce but.

Mais que se passerait-il si les superparticules présentaient par hasard une longue vie ? Dans ce cas, elles pourraient parcourir une plus longue distance et atteindre les limites des détecteurs avant de décroître, échappant ainsi à toute détection. Dans ce scénario, les recherches n'aboutiraient à aucun résultat tout simplement parce que les détecteurs actuels n'ont pas été conçus pour rechercher ce type de particules à longue vie.

En 2019, la Collaboration ATLAS (constituée de 2911 chercheurs de 174 universités et laboratoires) publia les résultats d'une étude (en PDF sur arXiv et résultats préliminaires en 2017) portant justement sur la recherche de particules à longue vie et autre squarks lourds (gluinos) d'une masse comprise entre 5 et 400 GeV produites par la décroissance de bosons lourds ayant une masse comprise entre 125 GeV et 1 TeV lors d'une collision pp.

Bien qu'ATLAS ne puisse pas détecter toutes les particules à longue vie, il est capable d'identifier des particules neutres ayant une masse comprise entre 5 et 400 fois celle du proton. Plutôt que de chercher des particules à longue vie au centre du détecteur, les physiciens se sont focalisés sur ses bords, en supposant que ces particules se seraient déplacées de quelques centimètres à quelques mètres. Cela semble dérisoire en termes humains, mais à l'échelle subatomique des particules massives, c'est l'équivalent des limites de l'univers connu.

Si cette expérience n'est pas première du genre, c'est la plus complète car elle utilisa pratiquement toutes les ressources expérimentales et les enregistrements du LHC. Quel en fut le résultat ? Malheureusement, les physiciens sont revenus de leur quête les mains vides. En effet, pas une seule trace de particules à longue vie n'a été enregistrée parmi les pétabytes de données.

Est-ce que cela signifie cette fois que c'est la fin de l'histoire de la supersymétrie ? Pas tout à fait, car ces instruments ne sont pas vraiment conçus pour détecter ce genre de particule exotique et les physiciens n'ont fait qu'entrevoir cet univers potentiel. Il faudra donc peut-être envisager sinon la construction d'un nouveau collisionneur plus puissant (l'Europe l'envisage) du moins une nouvelle génération d’expériences spécialement conçues pour piéger les particules à longue vie avec l'espoir d'en capturer une.

Au pire, ces superparticules n'existent pas. Il s'agirait alors d'une autre chimère inventée par des physiciens théoriciens fébriles. Mais dans ce cas, ils devront inventer rapidement un nouveau cadre de référence pour résoudre les problèmes majeurs qui se posent aujourd'hui en physique quantique.

Ceci résume le monde des particules élémentaires réunies au sein du modèle Standard et de leurs interactions. Consultez également l'article intitulé Antimatière, neutrino et fermion de Majorana pour avoir un aperçu des autres membres singuliers de ce bestiaire quantique.

Pour plus d'informations

Sur ce site

Antimatière, neutrino et fermion de Majorana

Caractéristiques des principales particules

Les effets des particules chargées

Sur Internet

LHC experiments present new Higgs results at 2019 EPS-HEP conference, CERN

CODATA (valeur des constantes universelles, 2014)

Review of Particle Physics, APS, 2012

The Lund/LBNL Nuclear Data Search (Table des isotopes radioactifs et des isotopes)

Interactions fondamentales et particules élémentaires (PDF), Luc Louys, ULB

Introduction à la physique des particules (PDF), L.Marleau, U.Laval, Canada

Particules et champs (IAP)

Perspectives on the structure of atomic Nuclei, National Academies Press, 2013

Photothèque (IN2P3, CNRS, CERN)

Particle Physics Booklet (propriétés des particules), PDG

Elements, Mindat

Blogs et webzines

Quantum Diaries, blog français du CERN

Symmetry, webzine du Fermilab/SLAC

Quanta Magazine webzine, section mécanique quantique

Resonaances, Adam Falkowski (LPT Orsay)

Syymmetries, Jackson Clarke (CoEPP Australie)

Of Particular Significance, Pr.Matt Strassler, (PhD, U.Harvard)

Revues

Pour la Science

La Recherche

Nature Physics

Quelques ouvrages (cf. détails dans ma bibliothèque dont la rubrique Physique Quantique)

Histoire de la physique, Jean C. Baudet, Vuibert, 2015

L'ultime atome. De Démocrite au boson de Higgs et au-delà, Etienne Klein/Heinz Wismann, Albin Michel, 2015

Le modèle standard de la Physique des Particules. De l'électron au boson de Higgs, Jean-Jacques Samueli, Ellipses Marketing, 2013

Le cantique des quantiques, Sven Ortoli et Jean-Pierre Pharabod, La Découverte,1984/2007

Le quark et le jaguar. Voyage au coeur du simple et du complexe, Murray Gell-Mann, Albin Michel Sciences, 1995

Le génial professeur Feynman, James Gleick, Odile Jacob, 1995

La matière-espace-temps, Gilles Cohen-Tannoudji et Michel Spiro, Fayard, 1986; Gallimard-Folio essais, 1990

L'univers ambidextre, Martin Gardner, Dunod, 1967; Le Seuil, 1985/1994/2000

L'horizon des particules, Jean-Pierre Baton et Gilles Cohen-Tannoudji, NRF-Gallimard, 1989

La matière première, Michel Crozon, Le Seuil, 1987

Initiations à la physique, Max Planck, Flammarion, 1941; Flammarion-Champs sciences, 1989/2013.

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