Révéler des mystères fondamentaux : utiliser la physique des particules quasi-accidentées pour scruter le monde quantique

Lors d’une percée à CERN, les scientifiques ont mesuré le moment magnétique de l’insaisissable particule tau à l’aide d’interactions de particules quasi-accidentées dans le Grand collisionneur de hadrons. Cette méthode, qui marque une avancée significative dans la physique des particules, a le potentiel de révéler des aspects inconnus de la nature fondamentale de l’univers.

Les physiciens recherchent des indices pour percer les mystères de l’univers en brisant la matière et en inspectant les débris. Mais ces types d’expériences destructrices, bien qu’incroyablement instructives, ont des limites.

Nous sommes deux scientifiques qui étudions la physique nucléaire et des particules à l’aide du Grand collisionneur de hadrons du CERN, près de Genève, en Suisse. En collaboration avec un groupe international de physiciens nucléaires et des particules, notre équipe a réalisé que les données des études précédentes dissimulaient une expérience remarquable et innovante.

Une nouvelle approche pour mesurer l’oscillation des particules

Dans un nouvel article publié dans la revue Lettres d’examen physiquenous avons développé avec nos collègues une nouvelle méthode pour mesurer la vitesse à laquelle une particule appelée tau vacille.

Notre nouvelle approche s’intéresse aux moments où les particules entrant dans l’accélérateur s’entrechoquent plutôt qu’aux moments où elles s’écrasent lors de collisions frontales. Étonnamment, cette approche permet des mesures beaucoup plus précises de l’oscillation de la particule tau que les techniques précédentes. C’est la première fois depuis près de 20 ans que les scientifiques mesurent cette oscillation, connue sous le nom de moment magnétique tau, et cela pourrait aider à éclairer des fissures alléchantes émergeant dans les lois connues de la physique.

Pourquoi mesurer une oscillation ?

Les électrons, éléments constitutifs des atomes, ont deux cousins ​​plus lourds appelés le muon et le tau. Les Taus sont les plus lourds de cette famille de trois et les plus mystérieux, car ils n’existent que pour une durée infime.

Fait intéressant, lorsque vous placez un électron, un muon ou un tau dans un champ magnétique, ces particules vacillent de la même manière qu’une toupie vacille sur une table. Cette oscillation est appelée moment magnétique d’une particule. Il est possible de prédire la vitesse à laquelle ces particules devraient osciller à l’aide du modèle standard de la physique des particules, la meilleure théorie scientifique sur la façon dont les particules interagissent.

Depuis les années 1940, les physiciens s’intéressent à la mesure des moments magnétiques pour révéler des effets intrigants dans le monde quantique. Selon la physique quantique, des nuages ​​de particules et d’antiparticules apparaissent et disparaissent constamment. Ces fluctuations passagères modifient légèrement la vitesse à laquelle les électrons, les muons et les taus vacillent dans un champ magnétique. En mesurant cette oscillation très précisément, les physiciens peuvent scruter ce nuage pour découvrir d’éventuelles traces de particules non découvertes.

Tester les électrons, les muons et les Taus

En 1948, le physicien théoricien Julian Schwinger a calculé pour la première fois comment le nuage quantique modifie le moment magnétique de l’électron. Depuis lors, les physiciens expérimentaux ont mesuré la vitesse d’oscillation de l’électron avec un nombre extraordinaire de 13 décimales.

Plus la particule est lourde, plus son oscillation changera en raison de nouvelles particules non découvertes qui se cachent dans son nuage quantique. Puisque les électrons sont très légers, cela limite leur sensibilité aux nouvelles particules.

Les muons et les taus sont beaucoup plus lourds mais aussi à durée de vie beaucoup plus courte que les électrons. Alors que les muons n’existent que pendant quelques microsecondes, les scientifiques du Fermilab près de Chicago ont mesuré le moment magnétique du muon avec 10 décimales en 2021. Ils ont découvert que les muons vacillaient sensiblement plus rapidement que les prédictions du modèle standard, ce qui suggère que des particules inconnues pourraient apparaître dans le nuage quantique du muon.

Les Taus sont la particule la plus lourde de la famille : 17 fois plus massive qu’un muon et 3 500 fois plus lourde qu’un électron. Cela les rend beaucoup plus sensibles aux particules potentiellement inconnues dans les nuages ​​quantiques. Mais les taus sont aussi les plus difficiles à observer, car ils ne vivent qu’un millionième de la durée d’existence d’un muon.

À ce jour, la meilleure mesure du moment magnétique du tau a été réalisée en 2004 à l’aide d’un collisionneur d’électrons du CERN, aujourd’hui retiré. Bien qu’il s’agisse d’un exploit scientifique incroyable, après plusieurs années de collecte de données, cette expérience a pu mesurer la vitesse d’oscillation de la protéine tau avec seulement deux décimales. Malheureusement, pour tester le Modèle Standard, les physiciens auraient besoin d’une mesure 10 fois plus précise.

Ions plomb pour la physique des quasi-accidents

Depuis la mesure du moment magnétique de la protéine Tau en 2004, les physiciens recherchent de nouvelles façons de mesurer l’oscillation de la protéine Tau.

Le Grand collisionneur de hadrons brise généralement les noyaux de deux atomes – c’est pourquoi on l’appelle un collisionneur. Ces collisions frontales créent un feu d’artifice de débris pouvant inclure des tau, mais les conditions bruyantes empêchent des mesures minutieuses du moment magnétique du tau.

De 2015 à 2018, une expérience a eu lieu au CERN, conçue principalement pour permettre aux physiciens nucléaires d’étudier la matière chaude exotique créée lors de collisions frontales. Les particules utilisées dans cette expérience étaient des noyaux de plomb qui avaient été dépouillés de leurs électrons – appelés ions plomb. Les ions plomb sont chargés électriquement et produisent de puissants champs électromagnétiques.

Les champs électromagnétiques des ions plomb contiennent des particules de lumière appelées photons. Lorsque deux ions plomb entrent en collision, leurs photons peuvent également entrer en collision et convertir toute leur énergie en une seule paire de particules. C’était ceux-ci photon collisions que les scientifiques ont utilisées pour mesurer les muons.

Ces expériences sur les ions plomb ont pris fin en 2018, mais ce n’est qu’en 2019 que l’un d’entre nous, Jesse Liu, s’est associé à la physicienne des particules Lydia Beresford à Oxford, en Angleterre, et a réalisé que les données des mêmes expériences sur les ions plomb pouvaient potentiellement être utilisées pour faites quelque chose de nouveau : mesurez le moment magnétique du tau.

Cette découverte fut une surprise totale. Cela ressemble à ceci : les ions plomb sont si petits qu’ils se ratent souvent lors des expériences de collision. Mais parfois, les ions passent très près les uns des autres sans se toucher. Lorsque cela se produit, les photons qui les accompagnent peuvent toujours s’écraser pendant que les ions continuent de voler sur leur bon chemin.

Ces collisions de photons peuvent créer diverses particules, comme les muons de l’expérience précédente, ainsi que les taus. Mais sans les feux d’artifice chaotiques produits par les collisions frontales, ces quasi-accidents sont beaucoup plus silencieux et idéaux pour mesurer les caractéristiques de l’insaisissable tau.

À notre grande joie, lorsque l’équipe a examiné les données de 2018, il s’est avéré que ces quasi-accidents d’ions plomb créaient des particules tau. Il y avait une nouvelle expérience cachée à la vue de tous !

Une découverte marquante et des perspectives d’avenir

En avril 2022, l’équipe du CERN a annoncé avoir trouvé des preuves directes de la création de particules tau lors de quasi-accidents d’ions plomb. Grâce à ces données, l’équipe a également pu mesurer le moment magnétique tau – la première fois qu’une telle mesure était effectuée depuis 2004. Les résultats finaux ont été publiés le 12 octobre 2023.

Ce résultat historique mesurait l’oscillation de la protéine Tau à deux décimales. À notre grand étonnement, cette méthode a égalé la meilleure mesure précédente en utilisant seulement un mois de données enregistrées en 2018.

Après aucun progrès expérimental depuis près de 20 ans, ce résultat ouvre une voie entièrement nouvelle et importante vers une multiplication par dix de la précision nécessaire pour tester les prédictions du modèle standard. Il est intéressant de noter que d’autres données se profilent à l’horizon.

Le Large Hadron Collider vient de redémarrer la collecte de données sur les ions plomb le 28 septembre 2023, après une maintenance et des mises à niveau de routine. Notre équipe prévoit de quadrupler la taille de l’échantillon de données sur les quasi-accidents d’ions plomb d’ici 2025. Cette augmentation des données doublera la précision de la mesure du moment magnétique tau, et les améliorations des méthodes d’analyse pourraient aller encore plus loin.

Les particules de Tau sont l’une des meilleures fenêtres pour les physiciens sur le monde quantique énigmatique, et nous sommes enthousiasmés par les surprises que les résultats à venir pourraient révéler sur la nature fondamentale de l’univers.

Écrit par

• Jesse Liu – Chercheur en physique, Université de Cambridge
• Dennis V. Perepelitsa – Professeur agrégé de physique, Université du Colorado à Boulder

Adapté d’un article initialement publié dans The Conversation.