Une fenêtre sur mes recherches : la chasse aux phénomènes nouveaux en physique des particules

Cela fait un moment que je n’ai plus écrit en français je l’avoue. J’ai en fait du mal à écrire tout court ces dernières semaines, faute de temps. Mais je suis toujours là. Et aujourd’hui, c’est fête : je vais écrire dans la langue de Molière!

L’article du jour est une adaptation francophone d’un post antérieur écrit il y a un an environ. For my English readers, please click on the preceding link to the original post written a year ago.

Le sujet abordé est un peu particulier, car il concerne mon travail, ou plutôt de l’une de ses facettes qui consiste à étudier les phénomènes nouveaux en physique des particules.

Pour information et rappel (pour ceux et celles qui me suivent depuis un certain temps), la base concernant le Modèle Standard de la physique des particules se trouve ici, ici et là.

Pour introduire le sujet, je me permets de rappeler que le Modèle Standard de la physique des particules est largement considéré comme le cadre théorique expliquant comment fonctionne le monde microscope. Et ce car des milliers d’observations collent aux prédictions.

Cependant, les chercheurs essaient à tout prix de trouver une meilleure théorie, pour plusieurs raisons dont certaines seront évoquées aujourd’hui.

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Le succès du Modèle Standard

Comme dit ci-dessus, le Modèle Standard de la physique des particules est une théorie qui marche extrêmement bien en raison d’un accord quasi parfait entre prédictions théoriques et mesures expérimentales. Cet accord résiste en effet à plus de 50 ans d’expériences diverses et variées.

Ces prédictions concernent ainsi une gamme d’énergie s’étendant sur plus de 30 ordres de grandeur. On peut par exemple parler de la limite expérimentale sur la masse du photon (la prédiction théorique étant de 0) qui est à 10^-18 eV tandis que le Grand Collisionneur de Hadrons au CERN, le LHC, fonctionne à une énergie de collision d’environ 10¹³ eV.

Aucune théorie à ma connaissance ne peut actuellement se vanter d’avoir un si grand domaine d’application. Pour information, je rappelle que l’eV, ou l’électronvolt, est l’unité d’énergie appropriée pour le monde microscopique. 1 eV vaut 1.6 x 10^-19 Joules.

En fait, si l’on veut être plus précis, il suffit de fixer 26 paramètres libres pour être prêt à effectuer des milliers de calculs à comparer aux données.

Et quand je dis des milliers, ce n’est pas une exagération. On parle bien de prises de données qui ont été effectuées depuis les années 1960.

La figure de droite illustrate cela. Les zones colorées représentent la différence, pour plusieurs quantités, entre les prédictions et les mesures.

Cette différence est évaluée en sigmas, c’est-à-dire en déviations standards. 3 sigmas indiquent que l’on à une chance sur près de 400 d’avoir un signe de phénomène nouveau, ce qui n’est cependant pas suffisant pour une découverte.

Pour comparer, en sciences médicales le standard pour une découverte est plutôt d’une chance sur 20. Pour parler de découverte en physique des particules, il faut au contraire atteindre une certitude d’une chance sur 1750000.

En d’autres mots, cette figure renforce ce que j’ai dit plus haut: le Modèle Standard est en excellent accord avec les données.

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Les limitations du Modèle Standard et le LHC

Malgré ce succès phénoménal, le Modèle Standard souffre de plusieurs problèmes conceptuels et de limitations pratiques.

Par exemple, les 26 paramètres mentionnés ci-dessus consistent en un nombre au final assez grand. On préfèrerait en avoir moins.

De plus, le Modèle Standard présente une hiérarchie importante (17 ordres de grandeur) entre les masses des particules véhiculant les interactions faibles et l’échelle de Planck où la théorie se casse la figure (car il faut y ajouter la gravitation qui n’est pas inclue).

Cette hiérarchie devient un problème assez critique lorsque l’on commence à calculer les corrections quantiques à certaines grandeurs (et il faut calculer ces corrections car la nature est quantique).

D’autre part, le Modèle Standard prédit des neutrinos non massifs et ne dit rien sur la matière noire. De jolies contradictions avec les données…

Et ainsi de suite…

Pour ces raisons, le Modèle Standard est considéré comme la partie visible d’un iceberg. Il n’est pas faux car il marche du tonnerre, mais il n’est pas non plus le fin mot de l’histoire. Il est donc crucial de découvrir la suite. Et c’est cela qui m’intéresse!

Il y ainsi une théorie plus fondamentale à découvrir, et nous avons beaucoup d’attentes du LHC à ce sujet. Cependant, il n’y a de plus aucune garantie d’observer le moindre phénomène nouveau au LHC. Il faudra peut-être une machine plus puissante? Qui sait?

Par conséquent, il y a un énorme programme de recherche de phénomènes au-delà du Modèle Standard au LHC, et en particulier dans le cadre des expériences ATLAS et CMS. La finalité étant tout simplement de comprendre (mieux) comme fonctionne notre univers.

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Les défis de la physique au-delà du Modèle Standard

Le problème pour la nouvelle physique (une autre façon d’appeler les nouveaux phénomènes) est que cela correspond à des événements rares. Très rares. Prenons le LHC par exemple et regardons la figure ci-dessous qui illustre les taux de production de différentes particules dans le Modèle Standard.

Le LHC correspond à la ligne verticale verte à droite.

La ligne horizontale verte en haut du graphe (avec le label σ_tot) montre qu’à chaque seconde, il arrive environ 100 millions de collisions au LHC. 100 millions de fois où quelque chose se passe.

Cependant, la plupart de ces collisions sont d’un ennui profond. 1% d’entre elle commence à être intéressantes (les deux lignes rouges superposées juste en dessous, σ_bottom et σ_jet). Ces processus sont liés à l’interaction forte (qui dit interaction forte, dit haut taux de production).

Si on veut plutôt sonder les interactions faibles, il faut produire des bosons W ou Z (les lignes en vert fluo σ_W et σ_Z). On parle d’une centaine d’événements par seconde. Les physiciens au LHC doivent ainsi redoubler d’intelligence pour n’arriver à sélectionner, pour leurs analyses de physique, que les événements qui les intéressent. Le bruit de fond est énorme.

Si on passe au boson de Higgs (les lignes en rouge foncé en bas), on parle de quelques événements par heure, Pour les nouveaux phénomènes, 10 à 100 fois moins (dans le cercle)!

On en est donc à rechercher une aiguille… dans une botte d’aiguilles!

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