FASER: rechercher des particules exotiques à longue durée de vie
Publié par Adrien le 06/03/2019 à 08:00
Source: CERN
L'expérience FASER, qui viendra renforcer les recherches existantes sur la matière noire au LHC, sera opérationnelle à partir de 2021.


Illustration en 3D du futur détecteur FASER dans le tunnel TI12. Le détecteur est aligné avec précision sur l'axe de collision d'ATLAS, à 480 m du point (Graphie) de collision (Image: FASER/CERN) (Image: CERN)

La Commission de 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...) du CERN a approuvé aujourd'hui une nouvelle expérience auprès du LHC, qui s'intéressera aux particules légères interagissant faiblement. L'expérience FASER (Forward Search Experiment) complétera le programme de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) de l'Organisation (Une organisation est) en élargissant son potentiel de découverte à plusieurs nouvelles particules. Certaines d'entre elles sont associées à la matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre) désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d'effets inattendus, notamment au sujet des...), un type de 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 matière occupe de...) hypothétique qui, n'étant pas sensible à la force électromagnétique (La force électromagnétique est, avec la force de gravitation, l'interaction faible, et l'interaction forte, l'une des quatre forces fondamentales de la physique. Lorsque l'on...), ne peut émettre de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde...), ce qui la rend difficile à détecter. Les 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.) astrophysiques montrent que la matière noire représente environ 27 % de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) ; elle n'a toutefois jamais été observée ni étudiée en laboratoire.

En raison de l'intérêt croissant pour les particules qui restent encore à découvrir, notamment les particules à longue durée de vie (La vie est le nom donné :) et celles de la matière noire, de nouvelles expériences ont été proposées pour accroître le potentiel scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) du complexe d'accélérateurs et de l'infrastructure du CERN dans le cadre de l'étude sur la physique au-delà des collisionneurs (étude PBC), sous l'égide de laquelle est menée l'expérience FASER. "Cette expérience innovante contribue à diversifier le programme de physique des collisionneurs tels que le LHC et permet d'aborder sous un angle différent les questions restées sans réponse sur 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...)", explique Mike Lamont, co-coordinateur du groupe d'étude PBC.

Les quatre détecteurs principaux du LHC ne sont pas en mesure de détecter les particules légères interagissant faiblement qui pourraient être produites parallèlement à la ligne de faisceau. Celles-ci pourraient parcourir des centaines de mètres sans interagir avec de la matière, avant de se transformer en particules connues et détectables, comme des électrons et des positons. Il se peut que de telles particules exotiques échappent aux détecteurs existants le long des lignes de faisceau et passent ainsi inaperçues. C'est la raison pour laquelle le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la...) FASER sera placé sur la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) du faisceau, 480 mètres en aval du point d'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.) d'ATLAS. Alors que la trajectoire des protons des faisceaux sera incurvée par les aimants du LHC, les particules légères interagissant très faiblement poursuivront leur route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie brisée », c'est-à-dire creusée dans la roche, pour ouvrir le chemin.) en ligne droite, et leurs "produits de désintégration" pourront alors être détectés par FASER. Les nouvelles particules potentielles resteraient fortement alignées avec le faisceau, se dispersant très peu, ce qui permettrait à un détecteur relativement petit et peu coûteux de les rechercher avec un haut degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) de sensibilité.

La longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet...) totale du détecteur est inférieure à cinq mètres et sa principale structure cylindrique a un rayon de 10 centimètres. Il sera installé dans un tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier). Sont...) latéral le long d'une ligne de transfert inutilisée qui relie le LHC à son injecteur (Un injecteur est un élément de moteur permettant l'apport du carburant dans la chambre de combustion.), le Supersynchrotron à protons. Pour que FASER puisse être construit rapidement et à moindre coût, des pièces de rechange de détecteurs, fournies gracieusement par les expériences ATLAS et LHCb, seront utilisées. La collaboration responsable de sa construction et des futures expériences, qui regroupe 16 instituts, est soutenue par la Fondation Heising-Simons et la Fondation Simons.

L'objectif de FASER sera de rechercher une classe de particules hypothétiques, en particulier des "photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit...) noirs", qui sont associés à la matière noire, ainsi que des neutralinos et d'autres particules. L'expérience sera installée au cours de l'actuel second long arrêt du LHC et sera prête à acquérir des données à partir de la troisième période d'exploitation du collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.), entre 2021 et 2023.

"C'est vraiment formidable que l'expérience FASER puisse être installée au CERN. De plus, la collaboration a été mise sur pied en un temps record et nous avons tous hâte d'enregistrer nos premières données lorsque le LHC redémarrera en 2021", explique Jamie Boyd, co-porte-parole de l'expérience FASER.

"FASER est un projet intéressant en ce qu'il aborde un point particulier de la quête d'une physique au-delà du Modèle standard ; je suis heureux de le voir se réaliser avec autant d'efficacité", ajoute Eckhard Elsen, directeur de la recherche et de l'informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement automatique de l'information par des machines...) du CERN.
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