La physique quantique

La physique quantique

Au-delà du modèle Standard (VI)

Quittons un instant les voies royales du modèle Standard pour nous aventurer sur des chemins de traverse à peine balisés.

Ces dernières décennies, les mesures réalisées dans les accélérateurs de particules ont mis en évidence des valeurs qui s'écartent du modèle Standard des particules. Ce que certaines qualifient comme étant des "anomalies" sont en fait des résultats incompatibles avec le modèle actuel. C'est notamment le cas de l'expérience Muon g-2, celle visant à mesurer la masse du boson W et l'universalité des leptons. Mais il y a d'autres sujets de préoccupation comme l'existence des noyaux exotiques, des monopôles, du leptoquark, des particules supersymétriques, la nature de la matière et de l'énergie sombres ou la nature de la lumière. Voyons quelques-uns de ces sujets.

Le pentaquark

En 2015, les chercheurs du CERN travaillant sur le détecteur LHCb ont découvert une nouvelle classe de particules : le pentaquark. Ce phénomène exotique fut observé lors de la décroissance du baryon Lambda, Λ_b⁰, (un hypéron de la famille des fermions) en 3 autres particules, un J/ψ (J-psi ou charmonium fait des quarks c et anti-c), un proton et un kaon chargé (méson K). On doit cette découverte aux quelque 700 chercheurs de la collaboration LHCb.

Notons que le pentaquark n'entre pas dans le modèle standard des quarks en raison de son nombre quantique angulaire total (J = s+l).

Comme son nom l'indique, ce pentaquark est constitué de 5 quarks : 2 quarks up, un down, un charm et un anti-charm. C'est la combinaison d'un baryon ordinaire et d'un méson. Il présente deux états de spin, 3/2 et 5/2. Notons que les quarks u et d pèsent respectivement 5 et 8 MeV/c², tandis que le quark c pèse 1270 MeV/c², ce qui explique la masse élevée de ce pentaquark.

Parmi les particules où plus exactement les résonances observées (le pic d'énergie où la présence de la particule est la plus probable à l'image d'un objet en vibration qui présente une fréquence de résonance dépendant d'un seul seul ou deux paramètres), P_c(4450) est la plus massive avec 4450 MeV/c².

Les physiciens avaient déjà observé de telles résonances. En effet, depuis 2003 une dizaine d'observations ont été validées mais les conclusions sont toujours restées au stade des hypothèses jusqu'à cette découverte.

A voir : Particle Resonance and Resonance Width, AK Lectures

Deux structures possibles du pentaquark : à gauche, les 5 quarks sont confinés et forment une seule particule tandis qu'à droite ils apparaissent sous forme de "molécule subatomique" de 2+3 quarks en interactions. Les deux états pourraient apparaître alternativement. Document CERN.

Selon Guy Wilkinson, porte-parole du CERN, "le pentaquark n'est pas simplement une nouvelle particule. Il représente une méthode d'agrégation des quarks - les briques fondamentales de la matière ordinaire faite de protons et de neutrons - d'une manière qui n'a jamais été observée en plus de 50 ans de recherches expérimentales. L'étude de ses propriétés pourraient nous aider à mieux comprendre comme la matière ordinaire est constituée".

Actuellement les physiciens ignorent exactement comment se comporte cette particule. Selon Murray Gell-Mann, la structure interne du pentaquark peut parfaitement exister sous deux formes : l'une où les cinq quarks sont fermement confinés, la seconde dans laquelle deux états "moléculaires" subatomiques de 2+3 quarks sont en interactions. Il est possible que le pentaquark adopte alternativement les deux structures selon qu'il interagit avec des hadrons ou des mésons.

Ce nouveau mode d'agrégation des quarks pourrait aider les physiciens à mieux comprendre comme se forme la matière au niveau élémentaire. L'analyse technique du pentaquark nommé J/ψp fut publiée en 2015 dans les "Physical Review Letters" (en PDF sur arXiv).

Gell-Mann pense que les chercheurs "pourraient découvrir de plus en plus de particules de ce type, faites de quarks et d'antiquarks et de différentes combinaisons. Et de même concernant les gluons. Il pourrait exister une particule constituée de gluons et d'aucun quark" (nous verrons plus loin qu'il s'agit de l'hypothétique "boule de glu").

Et de fait, le 24 février 2016, dans le cadre de la collaboration D0 (D-Zéro), une équipe internationale de physiciens annonça la découverte du tétraquark. Cette structure exotique nommée temporairement X(5568) se compose des quarks u, d, b et s. Sa masse est de 5568 MeV/c².

Se pose à présent la question de savoir combien de quarks peuvent ainsi s'assembler pour former une particule ? Si les physiciens ont observé un groupe de 5 quarks, en théorie il n'y a pas de limite.

Les monopôles

Dans les années trente, Dirac[13] supposait l'existence de particules ayant une charge magnétique unique, les monopôles qui ne disposeraient pas du second pôle de signe opposé.

Ces particules sont uniques en leur genre. Prenons l’analogie des aimants. Si vous brisez un aimant en deux parties, jusqu’à l’échelle atomique chacune d'elle présentera toujours un pôle attractif et un pôle répulsif. Et même à l’échelle atomique, l’unique proton et l’unique électron de l’atome d’hydrogène se repoussent encore. Le monopôle serait une particule insolite dans le sens où elle ne disposerait pas du second pôle magnétique.

Les théories de Grande Unification qu'on retrouve en cosmologie considèrent que les monopôles peuvent exister isolément mais doivent avoir une masse colossale, quelque 10²⁰ fois celle du proton, soit ~10²¹ eV ou 10¹¹ GeV ! Imaginez qu’avec seulement 1000 monopôles vous auriez une masse pesant presque 2 grammes ! (1 GeV = 1.783 x 10^-24 g).

En 2011, D.Milstead et E.J. Weinberg ont fait la revue de l'état des recherches sur les monopôles. Ils précisent qu'en fonction des conditions physiques (accélération, champ magnétique, etc), la masse du monopôle est estimée entre 10¹¹ et 10¹⁸ GeV. Mais à ce jour, bien que près de 3000 scientifiques recherchent cette particule hypermassive, comme le confirme cette étude du CERN publiée par la Collaboration ATLAS en 2015, aucun monopôle n'a été découvert. Mais les physiciens n'ont pas perdu tout espoir.

En février 2019, les collaborations CMS et MoEDAL du CERN ont signé un accord en vue de remettre à MoEDAL un tronçon du tube de faisceau du LHC situé à l'intérieur du CMS (cf. CERN Courier, March 2019). Cet objet délicat de 6 mètres de long en béryllium fut coupé en tranches afin de permettre à MoEDAL de rechercher des anomalies électromagnétiques produites par les éventuels monopôles magnétiques générés lors des collisions dans le LHC. Ces monopôles ne voyageraient pas très loin après avoir été produits, se liant aux noyaux de béryllium du tube de faisceau où ils sont potentiellement restés piégés en attente d'être découverts. C'est le Laboratoire du Magnétomètre SQUID de l'ETH de Zurich qui effectua les mesures durant l'été 2019.

Malgré des collisions pp à 13 TeV réalisées dans le LHC pendant près de 2 ans, les chercheurs n'ont toujours pas trouvé les élusifs monopôles mais ont pu améliorer les contraintes du modèle (cf. Collaboration MoEDAL, 2019).

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 possibles 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 à propos des découvertes récentes et à propos de 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 leptoquark est la seule particule qui a la capacité unique de se désintégrer simultanément en quarks et en leptons. Le rôle du leptoquark consiste 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 participa la Russie (27%) jusqu'en 2022 et la guerre en Ukraine (cf. le communiqué d'XFEL), 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.

Avec les nombreux indices d'une violation de l'universalité des leptons, après le LHC et le Tevatron, XFEL sera plus sollicité que jamais.

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 toutes les interactions entre 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

Une cinquième force fondamentale ?

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