Une nouvelle particule pourrait redéfinir les constantes fondamentales de l'Univers
Publié par Adrien le 30/05/2023 à 06:00
Source: CNRS INP
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Image d'illustration Pixabay
Le modèle standard (MS) de la physique des particules décrit avec précision les interactions fondamentales et le comportement des particules élémentaires. Malgré la découverte du boson de Higgs (Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l'existence a été...), le MS reste incomplet, notamment parce qu'il n'explique pas la matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre), traduction de l’anglais...), les oscillations de neutrinos et l'absence d'antimatière (L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière...) dans l'univers. Longtemps focalisée sur les plus hautes énergies, la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) d'une nouvelle physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) au-delà du MS se penche aujourd'hui, avec autant d'espoir, sur la possibilité d'une extension du MS à plus basse énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...). Les mesures de précision en physique atomique et moléculaire constituent en particulier des sondes très sensibles de nouvelles particules légères.
Structurellement, le MS laisse un certain nombre de constantes fondamentales non déterminées, comme par exemple la constante de structure fine, ou le rapport entre la masse de l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) et celle du proton, qui sont déduites d'une comparaison entre résultats expérimentaux et prédictions théoriques du MS. La multiplication (La multiplication est l'une des quatre opérations de l'arithmétique élémentaire...) de telles expériences, pour peu qu'elles sondent des processus indépendants les uns des autres, permet de plus de tester la solidité du MS et de chercher des indices d'une nouvelle physique qui irait au-delà de ce dernier. Ainsi, des mesures récentes de haute précision en spectroscopie de l'atome d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) conduisent à un rayon du proton substantiellement différent de celui obtenu par spectroscopie de l'hydrogène muonique où l'électron est remplacé par un muon.
Dans un travail récent, une équipe internationale impliquant des chercheurs du Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de physique théorique (LAPTh, CNRS / Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) Savoie Mont-Blanc) et du Laboratoire Kastler Brossel (LKB, CNRS / Collège de France (Le Collège de France, situé au no 11 place Marcelin-Berthelot dans le quartier latin...) / ENS - PSL / Sorbonne Université) a proposé un réexamen des procédures habituelles par lesquelles les valeurs des constantes fondamentales sont extraites des jeux de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) expérimentales. Ils montrent qu'ajouter aux prédictions du MS des effets induits par une hypothétique nouvelle particule faiblement couplée à celles du MS - dont plusieurs réalisations possibles sont étudiées - permet d'éliminer les incohérences entre certains résultats expérimentaux, avec pour conséquence supplémentaire de déplacer significativement les valeurs desdites constantes (voir Figure).
Bien que l'existence de cette particule exotique reste à confirmer, ces travaux montrent comment la procédure actuelle de détermination des constantes fondamentales peut être convertie en un outil très sensible d'exploration d'une nouvelle physique dépassant le cadre du MS. Ces résultats sont publiés dans Physical Review Letters.
Figure: Valeurs du rayon du proton (rp) et de la constante de Rydberg (R∞) obtenues simultanément par un ajustement global de données spectroscopiques.
L'abscisse et l'ordonnée correspondent aux écarts de rp et de R∞ par rapport à leurs valeurs recommandées actuelles (CODATA 2018), en nombre de déviations standard. L'ellipse grise montre le résultat obtenu dans le cadre du modèle standard, qui diffère légèrement de la valeur du CODATA car des données postérieures à 2018 ont été prises en compte.
Les ellipses bleue et violette ont été obtenues avec le même jeu de données expérimentales, mais en ajoutant à l'analyse les effets d'une nouvelle particule légère, selon deux modèles théoriques différents ; on observe dans chaque cas des décalages d'environ 5 déviations standards ou plus et une augmentation des incertitudes (aire de l'ellipse).
Références
Self-consistent extraction of spectroscopic bounds on light new physics,C. Delaunay et al., Physical Review Letters, Publié le 24 mars 2023.
Doi:10.1103/PhysRevLett.130.121801
Archives ouvertes arXiv
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