ATLAS explore des terres inconnues en quête de supersymétrie
Publié par Adrien le 25/06/2019 à 08:00
Source: CERN
De nouvelles études menées par la collaboration ATLAS explorent des territoires inconnus à la recherche d'hypothétiques particules "supersymétriques"


Le détecteur ATLAS (Image: CERN)

Les expériences ont confirmé à maintes reprises le Modèle standard de la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi physique des hautes énergies car de nombreuses...). Mais le Modèle standard est incomplet. En effet, il ne peut pas rendre compte, par exemple, de la matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre) désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d'effets...), ou de la faible masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force...) du boson de Higgs (Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l'existence a été proposée en 1964 par Gerry Guralnik, C.R. Hagen, et Tom...), ni expliquer pourquoi les forces agissant entre les particules ne s'unifient pas à des énergies élevées. Or, si on émet l'hypothèse que chaque particule possède un "superpartenaire", ces trois questions pourraient être résolues. Si de telles particules superpartenaires, prédites par une extension du Modèle standard appelée supersymétrie (Note : Pour profiter au mieux de cet article, le lecteur devrait avoir de bonnes notions sur le spin, la physique des particules et la symétrie en physique.), existent et ne sont pas trop massives, elles pourraient être révélées par l'étude des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) des collisions de protons enregistrées par les expériences menées au Grand collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.) de hadrons (LHC).

Lors de la conférence LHCP (Large Hadron (Un hadron est un composé de particules subatomiques régi par l'interaction forte. Dans le Modèle Standard de la Physique des particules, ces...) Collider Physics), qui s'est tenue du 20 au 25 mai à Puebla, au Mexique, la collaboration ATLAS a rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie) d'une scène créée dans un logiciel de modélisation 3D comportant à la fois des objets et des sources...) compte de nouvelles recherches concernant trois de ces superpartenaires dans des régions inexplorées de la gamme des masses.

Le Modèle standard classe les particules en fermions et bosons, selon une de leurs propriétés connue sous le nom de "spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa...)", qui peut être vu comme la rotation d'un système autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit...) de son axe. Les fermions, qui constituent la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide,...), ont tous un spin d'une demi-unité, alors que les bosons, qui portent les forces, ont un spin de 0, 1 ou 2 unités.

La supersymétrie prédit que chaque fermion (Il existe deux grandes classes de particules élémentaires: les fermions et les bosons. Les fermions sont les particules à spin demi-entier (c'est-à-dire multiple de 1/2): l'électron, le muon, le neutrino et les quarks sont des fermions.) et chaque boson (Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés de symétrie particulières lors de l'échange de particules : un système de particules identiques se...) du Modèle standard possède un superpartenaire avec un spin qui diffère d'une demi-unité, ce qui signifie que les bosons sont assortis de fermions superpartenaires et vice versa. Ainsi, par exemple, le superpartenaire d'un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) s'appelle un sélectron et celui d'un boson de Higgs un higgsino (les superpartenaires des bosons sont suivis du suffixe "-ino" alors que ceux des fermions sont précédés du préfixe "s-".

Lors de ses dernières études sur la supersymétrie, la collaboration ATLAS a passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une échelle des temps centrée sur le...) au crible l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble),...) des données des collisions proton-proton enregistrées par l'expérience pendant la deuxième période d'exploitation du LHC, qui s'est déroulée de 2015 à 2018, à la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne...) d'indices indiquant la présence de staus et de higgsinos ; le stau est le superpartenaire du tau, une version plus lourde de l'électron. Comme ces particules superpartenaires sont censées être instables et produites en très petites quantités au LHC, l'équipe ATLAS essaie de les découvrir en traquant les particules qui sont le produit de leur transformation, ou "désintégration".

Dans sa quête des taus, ATLAS a cherché des paires de staus se désintégrant chacun en un tau et en une hypothétique "particule supersymétrique la plus légère", qui serait "invisible" et pourrait être constituée de matière noire. Chaque tau continue ensuite à se désintégrer en particules composites appelées hadrons et en un neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.) invisible. Les particules invisibles sont détectées en identifiant (En informatique, on appelle identifiants (également appelé parfois en anglais login) les informations permettant à une personne de s'identifier auprès d'un système.) l'impulsion manquante lors des collisions: si l'impulsion combinée des particules produites lors d'une collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) proton-proton ne correspond pas à celle des deux protons incidents, on peut en déduire qu'une particule invisible a emporté avec elle l'impulsion manquante.

La collaboration a exploré un éventail sans précédent de masses possibles pour le stau, mais n'a trouvé aucun signe de ce superpartenaire dans les données. Elle a cependant réussi à resserrer encore davantage les limites de la masse du stau.

Pendant ce temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), la recherche de higgsinos s'est concentrée sur la transformation de ces particules en paires d'électrons ou de muons à très faible impulsion. (Tout comme le tau, le muon (Le muon est, selon le modèle standard de physique des particules, le nom donné à deux particules élémentaires de charge positive et négative. Les muons ont une masse 207 fois plus grande que celle de l'électron...) est une version plus lourde de l'électron). Il est très difficile d'observer des particules ayant une impulsion aussi faible, mais la collaboration a réussi à améliorer la sensibilité de la détection, identifiant des muons ayant la plus faible impulsion jamais mesurée par ATLAS. Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) comme celle des staus, cette recherche n'a révélé aucun signe de higgsinos ; cependant, grâce à ces travaux, les limites de masse de ces hypothétiques particules ont pu être déterminées plus sûrement qu'avec les résultats obtenus auparavant par ATLAS et par le prédécesseur du LHC, le Grand collisionneur électron-positon (LEP).
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