ATLAS observe un phénomène rare faisant du LHC un collisionneur de photons de haute énergie

Publié par Redbran le 14/08/2020 à 13:00
Source: CERN
L'expérience ATLAS observe des collisions de photons produisant des particules porteuses de la force faible, apportant un nouvel éclairage sur les interactions de ces particules.

À l'occasion de la conférence internationale sur la physique des hautes énergies (ICHEP 2020), la collaboration ATLAS a fait état de la première observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude...) de collisions de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent,...) produisant des paires de bosons W - des particules élémentaires porteuses de la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale »...) faible, l'une des quatre forces fondamentales qui régissent l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). Ce résultat montre que le LHC peut être utilisé d'une nouvelle manière, en tant que collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.) de photons de haute énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.), pour une étude directe des interactions électrofaibles. Il confirme l'une des principales prédictions de la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation ou...) électrofaible, à savoir que les particules porteuses de force peuvent interagir avec elles-mêmes, et ouvre la voie à de nouveaux moyens d'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.).


Vues d'un événement d'ATLAS de 2018 correspondant à la production d'une paire de bosons W à partir de deux photons, et à la désintégration ultérieure des bosons W en un 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...) et 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...) (visibles dans le détecteur) et en neutrinos (non détectés).

Selon les lois de l'électrodynamique (L'électrodynamique est la discipline physique qui étudie et traite des actions dynamiques entre les courants électriques.) classique, le croisement de deux faisceaux de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...) ne devrait pas induire de déviation, d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. Le photon est détruit...) ou de perturbations mutuelles. Toutefois, des interactions entre photons sont possibles via les effets de l'électrodynamique quantique (QED), la théorie qui explique comment la lumière interagit avec 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, l'état liquide, l'état gazeux. La...).

Ce n'est pas la première fois que les interactions entre photons sont étudiées au LHC. Par exemple, la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion...) lumière-lumière, dans laquelle deux photons interagissent en produisant deux autres photons, est l'une des plus anciennes prédictions de la QED (CQFD (ou c.q.f.d.[1]) est l'abréviation de « ce qu'il fallait démontrer », ponctuant, comme un repère visuel, la fin des démonstrations mathématiques et indiquant ainsi que le résultat attendu a été démontré.). L'expérience ATLAS a observé en 2017 le premier signe direct de la diffusion lumière-lumière, en exploitant les forts champs électromagnétiques entourant les ions plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin plumbum.) dans les collisions plomb-plomb de haute énergie. En 2019 et 2020, elle a étudié ce processus de façon plus approfondie en mesurant ses propriétés.

Le nouveau résultat présenté lors de la conférence ICHEP manifeste un autre phénomène rare dans lequel deux photons interagissent pour produire deux bosons W de charges électriques opposées via (entre autres) l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) de quatre particules porteuses de force[1]. Des photons quasi-réels issus de faisceaux de protons rebondissent les uns contre les autres pour produire une paire de bosons W. Une première étude de ce phénomène, reposant sur 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.) enregistrées durant la première période d'exploitation du LHC, avait été présentée par ATLAS et CMS en 2016, mais les expériences avaient alors besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les besoins...) d'un plus grand volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) de données pour pourvoir observer le phénomène sans ambiguïté.

L'observation a été faite avec une signification statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat...) élevée, de 8,4 écarts-types, indiquant une infime probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un sujet de grande...) qu'elle soit due à une fluctuation statistique. Les scientifiques d'ATLAS ont utilisé un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude...) de données considérablement plus important, recueilli durant la deuxième période d'exploitation du LHC, laquelle a duré quatre ans et s'est achevée en 2018. Ils ont ensuite mis au point (Graphie) une méthode d'analyse adaptée.

Du fait de la nature du processus d'interaction, les seules traces (TRACES (TRAde Control and Expert System) est un réseau vétérinaire sanitaire de certification et de notification basé sur internet sous la responsabilité de la Commission européenne...) de particules visibles dans le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été spécifiquement conçu.) central sont les produits de la désintégration de deux bosons W, à savoir un électron et un muon de charges électriques opposées. Des paires de bosons W peuvent aussi être produites directement à partir d'interactions entre quarks et gluons dans des protons en 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.), et ce processus est beaucoup plus fréquent que la production à partir d'interactions photon-photon, mais il s'accompagne alors de traces supplémentaires issues de processus de l'interaction forte. Pour pouvoir observer ce phénomène rare, les scientifiques d'ATLAS ont par conséquent dû isoler avec soin les traces des collisions.

"Cette observation ouvre de nouvelles perspectives d'expérimentation auprès du LHC au moyen de photons dans leur état initial, explique Karl Jakobs, porte-parole de la collaboration ATLAS. Elle est inédite dans la mesure où elle fait intervenir uniquement des couplages entre particules porteuses de la force électrofaible dans l'environnement du LHC, dominé par l'interaction forte. En disposant de plus gros volumes de données, il sera possible de sonder de façon distincte la structure de jauge ( En tant qu'instrument de mesure : Une jauge est un instrument de mesure. On trouve par exemple : La jauge de contrainte, traduisant un...) électrofaible et d'étudier de possibles contributions d'une nouvelle physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...)."

Ce nouveau résultat confirme en effet l'une des principales prédictions de la théorie électrofaible, à savoir que les particules porteuses de force, également appelées bosons de jauge (le boson W (Le boson W existe sous deux états opposés de charges électriques notés W+ et W-. Les W+ et W- sont deux des trois bosons de jauge de l'interaction faible. Le troisième boson étant le boson Z), le boson Z (Le boson Z0 est un des trois bosons de jauge de l'interaction faible, les deux autres étant le boson W sous deux états opposés de charges électriques...) et le photon), en plus d'interagir avec les particules ordinaires de la matière, interagissent également les unes avec les autres. Les collisions de protons offriront un nouveau moyen de mettre à l'épreuve le Modèle standard et d'explorer une nouvelle physique, afin de mieux comprendre notre Univers.

Liens utiles:
- Observation de la production de W+W− induites par les photons dans les collisions proton-proton à 13 TeV à l'aide du detecteur ATLAS
- Briefing ATLAS du résultat
- Diagrammes et graphiques scientifiques

Note:
[1] L'interaction entre les quatre particules de force est l'une des prédictions de la théorie électrofaible, qui explique comment ces particules, également appelées bosons de jauge, interagissent non seulement avec les particules de matière, mais aussi les unes avec les autres.
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