Les chercheurs de l’expérience ATLAS du CERN sur le Grand collisionneur de hadrons ont introduit une nouvelle approche pour rechercher la matière noire au moyen de jets semi-visibles, marquant un changement de paradigme important dans ce domaine. Leurs travaux fournissent de nouvelles orientations et des limites strictes dans la quête en cours pour comprendre la matière noire.
Les chercheurs étudient si des particules de matière noire sont réellement produites à l’intérieur d’un jet de particules modèles standard.
L’existence de la matière noire est une énigme de longue date dans notre univers. La matière noire représente environ un quart de notre univers, mais elle n’interagit pas de manière significative avec la matière ordinaire. L’existence de la matière noire a été confirmée par une série d’observations astrophysiques et cosmologiques, notamment par les superbes images récentes du télescope spatial James Webb. Cependant, à ce jour, aucune observation expérimentale de matière noire n’a été rapportée. L’existence de la matière noire est une question sur laquelle les hautes énergies et les astrophysiciens du monde entier étudient depuis des décennies.
Avancées dans la recherche sur la matière noire
« C’est la raison pour laquelle nous menons des recherches en sciences fondamentales, en sondant les mystères les plus profonds de l’univers. Le Grand collisionneur de hadrons de CERN est la plus grande expérience jamais construite, et les collisions de particules créant des conditions semblables à celles d’un big bang peuvent être exploitées pour rechercher des indices de matière noire », explique le professeur Deepak Kar, de l’École de physique de l’Université de Witwatersrand à Johannesburg, en Afrique du Sud. .
Une représentation graphique de la façon dont les jets semi-visibles apparaîtront dans le détecteur ATLAS, s’ils existent. Crédit : CERN
Travaillant à l’expérience ATLAS au CERN, Kar et son ancien doctorant, Sukanya Sinha (aujourd’hui chercheur postdoctoral à l’Université de Manchester), ont mis au point une nouvelle façon de rechercher la matière noire. Leurs recherches ont été publiées dans la revue, Lettres de physique B.
Une nouvelle approche pour démêler la matière noire
« Il y a eu une pléthore de recherches de matière noire dans des collisionneurs au cours des dernières décennies, qui se sont jusqu’à présent concentrées sur des particules massives à faible interaction, appelées WIMP », explique Kar. « Les WIMPS sont une classe de particules qui pourraient expliquer la matière noire, car elles n’absorbent ni n’émettent de lumière et n’interagissent pas fortement avec d’autres particules. Cependant, comme aucune preuve de l’existence de WIMPS n’a été trouvée jusqu’à présent, nous avons réalisé que la recherche de la matière noire nécessitait un changement de paradigme.
Dr Sukanya Sinha et professeur Deepak Kar. Crédit : Université Wits
« Ce que nous nous demandions, c’était si les particules de matière noire étaient réellement produites à l’intérieur d’un jet de particules de modèle standard », a déclaré Kar. Cela a conduit à l’exploration d’une nouvelle signature de détecteur connue sous le nom de jets semi-visibles, que les scientifiques n’avaient jamais étudiée auparavant.
Les collisions de protons à haute énergie aboutissent souvent à la production d’un jet collimaté de particules, collectées dans ce que l’on appelle des jets, à partir de la désintégration de quarks ou de gluons ordinaires. Des jets semi-visibles apparaîtraient lorsque d’hypothétiques quarks sombres se désintégreraient partiellement en quarks du modèle standard (particules connues) et partiellement en hadrons sombres stables (la « fraction invisible »). Puisqu’ils sont produits par paires, généralement avec des jets supplémentaires du modèle standard, le déséquilibre d’énergie ou l’énergie manquante dans le détecteur se produit lorsque tous les jets ne sont pas complètement équilibrés. La direction de l’énergie manquante est souvent alignée avec l’un des jets semi-visibles.
Cela rend la recherche de jets semi-visibles très difficile, car cette signature d’événement peut également survenir en raison de jets mal mesurés dans le détecteur. La nouvelle façon de rechercher la matière noire de Kar et Sinha ouvre de nouvelles directions dans la recherche de l’existence de la matière noire.
« Même si ma thèse de doctorat ne contient pas de découverte de la matière noire, elle fixe les premières limites supérieures, plutôt strictes, de ce mode de production et inspire déjà d’autres études », explique Sinha.
La collaboration ATLAS au CERN a souligné cela comme l’un des résultats phares présentés lors des conférences d’été.
Les expériences menées au Grand collisionneur de hadrons en Europe, comme le calorimètre ATLAS vu ici, fournissent des mesures plus précises des particules fondamentales. Crédit : Maximilien Brice, CERN
L’expérience ATLAS
L’expérience ATLAS est l’une des initiatives scientifiques les plus importantes du CERN, l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire. Il s’agit d’un élément clé du Grand collisionneur de hadrons (LHC), l’accélérateur de particules le plus grand et le plus puissant au monde. Situé près de Genève, ATLAS signifie « A Toroidal LHC ApparatuS » et se concentre sur l’étude des aspects fondamentaux de la physique.
ATLAS a été conçu pour explorer un large éventail de questions scientifiques. Il cherche à comprendre les forces fondamentales qui ont façonné notre univers depuis la nuit des temps et qui détermineront son destin. L’un de ses principaux objectifs est l’étude du boson de Higgs, la particule associée au champ de Higgs, qui donne leur masse aux autres particules. La découverte du boson de Higgs en 2012, fruit des efforts conjoints d’ATLAS et de l’expérience CMS (Compact Muon Solenoid), a constitué une réalisation historique en physique.
L’expérience recherche également des signes d’une nouvelle physique, notamment les origines de la masse, des dimensions supplémentaires et des particules qui pourraient constituer la matière noire. ATLAS y parvient en analysant la myriade de particules produites lorsque des protons entrent en collision à une vitesse proche de celle de la lumière au sein du LHC.
Le détecteur ATLAS lui-même est une merveille technologique. Il est énorme, mesure environ 45 mètres de long, 25 mètres de diamètre et pèse environ 7 000 tonnes. Le détecteur est composé de différentes couches, chacune conçue pour détecter différents types de particules produites par les collisions proton-proton. Il comprend une gamme de technologies : des traqueurs pour détecter les trajectoires des particules, des calorimètres pour mesurer leur énergie et des spectromètres à muons pour identifier et mesurer les muons, un type d’électron lourd qui est essentiel à de nombreuses recherches en physique.
Les données collectées par ATLAS sont immenses, souvent décrites en termes de pétaoctets. Ces données sont analysées par une communauté mondiale de scientifiques, contribuant à notre compréhension de la physique fondamentale et conduisant potentiellement à de nouvelles découvertes et technologies.
