En avril, des scientifiques du Centre européen de recherche nucléaire, ou CERN, près de Genève, ont de nouveau tiré leur canon cosmique, le Large Hadron Collider. Après un arrêt de trois ans pour réparations et mises à niveau, le collisionneur a repris le tir de protons – les entrailles nues d’atomes d’hydrogène – autour de sa piste de course électromagnétique souterraine de 17 milles. Début juillet, le collisionneur commencera à écraser ces particules ensemble pour créer des étincelles d’énergie primordiale.
Et ainsi le grand jeu de la chasse au secret de l’univers est sur le point de reprendre, au milieu de nouveaux développements et des espoirs renouvelés des physiciens des particules. Même avant sa rénovation, le collisionneur avait laissé entendre que la nature pouvait cacher quelque chose de spectaculaire. Mitesh Patel, un physicien des particules à l’Imperial College de Londres qui mène une expérience au CERN, a décrit les données de ses expériences précédentes comme “l’ensemble de résultats le plus excitant que j’ai vu dans ma vie professionnelle”.
Il y a dix ans, les physiciens du CERN ont fait la une des journaux mondiaux avec la découverte du boson de Higgs, une particule longtemps recherchée, qui confère une masse à toutes les autres particules de l’univers. Que reste-t-il à trouver ? Presque tout, disent les physiciens optimistes.
Lorsque le collisionneur du CERN a été mis en marche pour la première fois en 2010, l’univers était à gagner. La machine, la plus grande et la plus puissante jamais construite, a été conçue pour trouver le boson de Higgs. Cette particule est la clé de voûte du modèle standard, un ensemble d’équations qui explique tout ce que les scientifiques ont pu mesurer sur le monde subatomique.
Mais il y a des questions plus profondes sur l’univers que le modèle standard n’explique pas : d’où vient l’univers ? Pourquoi est-il fait de matière plutôt que d’antimatière ? Quelle est la « matière noire » qui imprègne le cosmos ? Comment la particule de Higgs elle-même a-t-elle une masse ?
Les physiciens espéraient que certaines réponses se concrétiseraient en 2010 lorsque le grand collisionneur a été mis en marche pour la première fois. Rien n’est apparu sauf le Higgs – en particulier, aucune nouvelle particule qui pourrait expliquer la nature de la matière noire. Frustrant, le modèle standard est resté inébranlable.
Le collisionneur a été arrêté fin 2018 pour d’importantes mises à niveau et réparations. Selon le calendrier actuel, le collisionneur fonctionnera jusqu’en 2025, puis s’arrêtera pendant deux ans supplémentaires pour que d’autres mises à niveau importantes soient installées. Parmi cet ensemble de mises à niveau figurent des améliorations des détecteurs géants qui se trouvent aux quatre points où les faisceaux de protons entrent en collision et analysent les débris de collision. À partir de juillet, ces détecteurs auront du pain sur la planche. Les faisceaux de protons ont été comprimés pour les rendre plus intenses, augmentant les risques de collision de protons aux points de croisement – mais créant une confusion pour les détecteurs et les ordinateurs sous la forme de multiples pulvérisations de particules qui doivent être distinguées les unes des autres.
“Les données vont arriver à un rythme beaucoup plus rapide que celui auquel nous étions habitués”, a déclaré le Dr Patel. Là où autrefois seulement quelques collisions se produisaient à chaque croisement de faisceaux, il y en aurait maintenant plus de cinq.
“Cela rend nos vies plus difficiles dans un certain sens parce que nous devons être capables de trouver les choses qui nous intéressent parmi toutes ces différentes interactions”, a-t-il déclaré. “Mais cela signifie qu’il y a une plus grande probabilité de voir la chose que vous recherchez.”
Pendant ce temps, une variété d’expériences ont révélé des fissures possibles dans le modèle standard – et ont fait allusion à une théorie plus large et plus profonde de l’univers. Ces résultats impliquent des comportements rares de particules subatomiques dont les noms ne sont pas familiers à la plupart d’entre nous dans les gradins cosmiques.
Prenez le muon, une particule subatomique qui est devenue brièvement célèbre l’année dernière. Les muons sont souvent appelés électrons gras ; ils ont la même charge électrique négative mais sont 207 fois plus massifs. « Qui a commandé ça ? disait le physicien Isador Rabi lors de la découverte des muons en 1936.
Personne ne sait où se situent les muons dans le grand schéma des choses. Ils sont créés par des collisions de rayons cosmiques – et lors d’événements de collisionneurs – et ils se désintègrent radioactivement en quelques microsecondes en un pétillement d’électrons et de particules fantomatiques appelées neutrinos.
L’année dernière, une équipe de quelque 200 physiciens associés au Fermi National Accelerator Laboratory dans l’Illinois a rapporté que les muons tournant dans un champ magnétique avaient oscillé beaucoup plus rapidement que prévu par le modèle standard.
L’écart avec les prédictions théoriques est venu dans la huitième décimale de la valeur d’un paramètre appelé g-2, qui décrit comment la particule répond à un champ magnétique.
Les scientifiques ont attribué la différence fractionnaire mais réelle au murmure quantique de particules encore inconnues qui se matérialiseraient brièvement autour du muon et affecteraient ses propriétés. Confirmer l’existence des particules briserait enfin le modèle standard.
Mais deux groupes de théoriciens travaillent toujours à concilier leurs prédictions sur ce que devrait être g-2, en attendant d’autres données de l’expérience du Fermilab.
“L’anomalie g-2 est toujours très vivante”, a déclaré Aida X. El-Khadra, une physicienne de l’Université de l’Illinois qui a aidé à diriger un effort de trois ans appelé Muon g-2 Theory Initiative pour établir une prédiction consensuelle. “Personnellement, je suis optimiste que les fissures du modèle standard se transformeront en un tremblement de terre. Cependant, la position exacte des fissures peut toujours être une cible mouvante.
Le muon figure également dans une autre anomalie. Le personnage principal, ou peut-être le méchant, de ce drame est une particule appelée quark B, l’une des six variétés de quarks qui composent des particules plus lourdes comme les protons et les neutrons. B signifie bas ou, peut-être, beauté. Ces quarks se trouvent dans des particules à deux quarks appelées mésons B. Mais ces quarks sont instables et ont tendance à s’effondrer d’une manière qui semble violer le modèle standard.
Certaines désintégrations rares d’un quark B impliquent une chaîne de réactions en guirlande, se terminant par un type de quark différent et plus léger et une paire de particules légères appelées leptons, soit des électrons, soit leurs cousins dodus, les muons. Le modèle standard soutient que les électrons et les muons sont également susceptibles d’apparaître dans cette réaction. (Il existe un troisième lepton plus lourd appelé le tau, mais il se désintègre trop rapidement pour être observé.) Mais le Dr Patel et ses collègues ont trouvé plus de paires d’électrons que de paires de muons, violant un principe appelé l’universalité des leptons.
“Cela pourrait être un tueur du modèle standard”, a déclaré le Dr Patel, dont l’équipe a étudié les quarks B avec l’un des grands détecteurs du Large Hadron Collider, LHCb. Cette anomalie, comme l’anomalie magnétique du muon, fait allusion à un « influenceur » inconnu — une particule ou une force interférant avec la réaction.
L’une des possibilités les plus dramatiques, si ces données se maintiennent dans la prochaine course du collisionneur, dit le Dr Patel, est une spéculation subatomique appelée un leptoquark. Si la particule existe, elle pourrait combler le fossé entre deux classes de particules qui composent l’univers matériel : les leptons légers – électrons, muons et aussi neutrinos – et les particules plus lourdes comme les protons et les neutrons, qui sont constitués de quarks. Curieusement, il existe six types de quarks et six types de leptons.
“Nous entrons dans cette course avec plus d’optimisme qu’il pourrait y avoir une révolution à venir”, a déclaré le Dr Patel. “Doigts croisés.”
Il y a encore une autre particule dans ce zoo au comportement étrange : le boson W, qui véhicule la force dite faible responsable de la désintégration radioactive. En mai, les physiciens du Collider Detector du Fermilab, ou CDF, ont rendu compte d’un effort de 10 ans pour mesurer la masse de cette particule, sur la base de quelque 4 millions de bosons W récoltés lors de collisions au Tevatron du Fermilab, qui était le collisionneur le plus puissant du monde. jusqu’à la construction du Large Hadron Collider.
Selon le modèle standard et les mesures de masse précédentes, le boson W devrait peser environ 80,357 milliards d’électrons-volts, l’unité de masse-énergie privilégiée par les physiciens. En comparaison, le boson de Higgs pèse 125 milliards d’électrons-volts, soit à peu près autant qu’un atome d’iode. Mais la mesure CDF du W, la plus précise jamais réalisée, a été plus élevée que prévu à 80,433 milliards. Les expérimentateurs ont calculé qu’il n’y avait qu’une chance sur 2 billions – 7 sigma, dans le jargon de la physique – que cet écart soit un hasard statistique.
La masse du boson W est liée aux masses d’autres particules, dont le tristement célèbre Higgs. Donc, ce nouvel écart, s’il tient, pourrait être une autre fissure dans le modèle standard.
Pourtant, les trois anomalies et les espoirs de révolution des théoriciens pourraient s’évaporer avec plus de données. Mais pour les optimistes, tous les trois pointent dans la même direction encourageante vers des particules cachées ou des forces interférant avec la physique « connue ».
“Ainsi, une nouvelle particule qui pourrait expliquer à la fois g-2 et la masse W pourrait être à portée de main au LHC”, a déclaré Kyle Cranmer, physicien à l’Université du Wisconsin qui travaille sur d’autres expériences au CERN.
John Ellis, théoricien au CERN et au Kings College de Londres, a noté qu’au moins 70 articles ont été publiés suggérant des explications à la nouvelle différence de masse W.
“Beaucoup de ces explications nécessitent également de nouvelles particules qui pourraient être accessibles au LHC”, a-t-il déclaré. « Ai-je mentionné la matière noire ? Donc, beaucoup de choses à surveiller!
À propos de la course à venir, le Dr Patel a déclaré : « Ce sera excitant. Ce sera un travail difficile, mais nous sommes vraiment impatients de voir ce que nous avons et s’il y a quelque chose de vraiment excitant dans les données.
Il a ajouté: «Vous pourriez faire une carrière scientifique et ne pas pouvoir le dire une seule fois. C’est donc un privilège. »
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