La chasse aux leptoquarks est ouverte
Publié par Adrien le 20/09/2018 à 00:00
Source: Achintya Rao - Copyright CERN
La matière est constituée de particules élémentaires, que le Modèle standard de la physique des particules sépare en deux grandes familles : celle des leptons (à laquelle appartiennent entre autres les électrons et les neutrinos) et celle des quarks (les particules constituant les protons et les neutrons). Dans le Modèle standard, ces deux familles sont totalement distinctes, car leurs charges électriques et leurs nombres quantiques sont différents (voir l'image ci-dessous) ; elles ont toutefois le même nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de générations.


Interactions dans CMS enregistrées début 2018. CMS passe au crible les collisions jusqu'à 40 millions de fois par seconde en quête de signaux d'hypothétiques particules comme les leptoquarks. (Image: Thomas McCauley/Tai Sakuma/CMS/CERN)

Cependant, des théories allant au-delà du Modèle standard, notamment certaines théories dites de grande unification (Le concept d'unification est une notion centrale de la logique des prédicats ainsi que d'autres systèmes de logique et est sans doute ce qui distingue le plus Prolog des autres langages de programmation.), conjecturent que les leptons et les quarks s'unissent à hautes énergies et forment alors des leptoquarks. Ceux-ci apparaissent dans des théories qui visent à unifier les forces forte, faible et électromagnétique.

En 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...), les tentatives d'" unification " sont monnaie courante. Pour prendre un exemple connu, l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie les...) et le magnétisme (Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces attractives ou répulsives d'un objet sur un autre, ou avec des charges électriques en mouvement. Ces objets, dits magnétisables, sont...) ont été unifiés au XIX^e siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et...) en une seule 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 »...), l'électromagnétisme (L'électromagnétisme est une branche de la physique qui fournit un cadre très général d'étude des phénomènes électriques et magnétiques dans leur synthèse du champ...), grâce aux élégantes formules mathématiques (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide de raisonnements logiques sur des concepts tels que les nombres, les figures, les structures et les transformations. Les...) connues comme les équations de Maxwell (Les équations de Maxwell, aussi appelées équations de Maxwell-Lorentz, sont des lois fondamentales de la physique. Elles constituent les postulats de base de...). Pour ce qui est des leptoquarks, on suppose qu'il s'agirait de particules hybrides ayant à la fois les propriétés des leptons et celles des quarks, ainsi que le même nombre de générations. Elles pourraient donc se " séparer " pour former l'une ou l'autre de ces deux particules ; en outre, les leptons pourraient se transformer en quarks, et vice-versa. L'existence de ces particules hypothétiques pourrait également expliquer certaines anomalies détectées par les expériences LHCb, Belle et BaBar lorsqu'elles ont mesuré les propriétés des mésons B.

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...) sépare les particules élémentaires constituant 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,...) en deux familles : les leptons et les quarks. Chaque famille compte six particules, regroupées par paires ou " générations ". Les particules les plus stables et légères constituent la première génération, alors que les plus lourdes et moins stables appartiennent à la deuxième et à la troisième générations. Les six sortes de leptons sont regroupés en trois générations – l'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.) et le neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.) de l'électron, 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...) et le neutrino du mu, et enfin le tau et le neutrino du tau. De même, les six sortes de quarks sont regroupées par paires dans chacune de ces générations – le quark u et le quark d forment la première génération, puis viennent le quark (Les quarks sont des fermions que la théorie du modèle standard décrit, en compagnie de la famille des leptons, comme les constituants élémentaires de...) c et le quark s, et enfin le quark t et le quark b. (Image : Daniel Dominguez/CERN)

Si les leptoquarks existent bel (Nommé en l’honneur de l'inventeur Alexandre Graham Bell, le bel est unité de mesure logarithmique du rapport entre deux puissances, connue pour exprimer la puissance du son. Grandeur...) et bien, ils doivent être très lourds et se transformer (ou se " désintégrer ") rapidement en leptons ou en quarks, des particules plus stables. Des expériences précédentes auprès du SPS et du LEP (CERN), ainsi qu'auprès d'HERA (DESY) et du Tevatron (Fermilab), ont étudié des désintégrations qui auraient pu produire des particules appartenant à la première et à la deuxième générations. Le Tevatron a été la première expérience à traquer des leptoquarks de la troisième génération (LQ3), et le Grand collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.) de hadrons (LHC) est à présent lui aussi sur leurs 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...).

Étant donné que les leptoquarks devraient se transformer en un lepton (Un lepton est une particule élémentaire qui n'est sensible qu'à l'interaction électrofaible et à la gravitation. Le terme lepton provient du mot grec signifiant « léger » et se...) et un quark, les scientifiques du LHC sont 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,...) de signatures caractéristiques qui apparaîtraient dans les " produits de désintégration ". Dans le cas des leptoquarks de la troisième génération, le lepton pourrait être un tau ou un neutrino du tau, et le quark un quark t ou un quark b.

Dans un article récent s'appuyant 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.) récoltées en 2016 à une 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.) de 13 TeV, la collaboration CMS auprès du LHC a présenté les résultats de sa recherche de leptoquarks de la troisième génération, pour laquelle elle s'est concentrée sur les LQ3 produits dans les collisions qui se seraient transformés en paires formées d'un quark t et un lepton tau.

Les collisionneurs produisant à la fois des particules et des antiparticules, la collaboration CMS a donc cherché la présence potentielle de paires leptoquarks-antileptoquarks dans les événements contenant les restes d'un quark t, d'un antiquark t, d'un lepton tau et d'un antilepton tau. Comme les leptoquarks n'ont jamais été observés et qu'on ne connaît pas leurs propriétés, les physiciens s'appuient en outre sur des calculs sophistiqués prenant en compte des paramètres connus pour les chercher. Ces paramètres comprennent l'énergie des collisions et le bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la...) attendu, avec comme contraintes les valeurs possibles de la 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 de...) et du spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au...) de la particule hypothétique recherchée. Avec ces calculs, les scientifiques peuvent estimer combien de leptoquarks auraient pu être produits dans un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble),...) de données provenant des collisions proton-proton, et combien auraient pu se désintégrer de manière à former des produits finaux que leurs détecteurs peuvent identifier.

Pour Roman Kogler, physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot physicien dérive du...) de CMS ayant participé à cette aventure, " les leptoquarks sont devenus l'une des hypothèses les plus intéressantes pour élargir la portée de nos calculs, parce qu'ils permettent d'expliquer plusieurs des anomalies observées.Au LHC, nous faisons tout notre possible pour confirmer ou infirmer leur existence. "

Après avoir 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 présent....) au crible les collisions à la recherche de caractéristiques spécifiques, les scientifiques de CMS n'ont pas remarqué de pic dans les données pouvant signaler l'existence de leptoquarks de la troisième génération. Ils ont donc conclu que tout LQ3 se transformant exclusivement en une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) quark t-tau devrait avoir une masse d'au moins 900 GeV, c'est-à-dire cinq fois plus lourde que celle du quark t, la particule la plus lourde jamais observée.

Ces nouvelles limites pour la masse des leptoquarks de la troisième génération, fixées par CMS, sont les plus étroites à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale) et sa...). La collaboration CMS a aussi cherché des leptoquarks de la troisième génération se transformant en un lepton tau et un quark b, et a conclu que leur masse devrait être d'au moins 740 GeV. Il importe toutefois de garder à l'esprit que ces résultats proviennent de l'analyse d'une partie seulement des données collectées grâce au LHC à une énergie de 13 TeV, en 2016. Des recherches futures, qui seront menées par CMS et ATLAS et prendront en compte des données collectées en 2017 ainsi que pendant l'exploitation de 2018, permettront au LHC de continuer à mettre à l'épreuve des théories sur la nature fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) de notre Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.).
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