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Deux petites anomalies remarquées

Monday, July 14th, 2014

La 37ème Conférence internationale de physique des hautes énergies vient de se terminer à Valence, en Espagne. Cette année, pas de grande surprise : aucun nouveau boson, aucun signe de nouvelles particules ou phénomènes révélant la nature de la matière sombre ou l’existence de nouvelles théories comme la supersymétrie. Mais comme toujours, quelques petites anomalies ont capté l’attention.

Les chercheur-e-s s’intéressent particulièrement à toute déviation par rapport aux prédictions théoriques car ces petites anomalies pourraient révéler l’existence d’une “nouvelle physique”. Cela permettrait de découvrir des indices d’une théorie plus inclusive puisque tout le monde réalise que le modèle théorique actuel, le Modèle standard, a ses limites et doit être remplacé par une théorie plus complète.

Mais il faut se méfier. Tous les physiciens et physiciennes le savent bien : de petits écarts apparaissent souvent et disparaissent tout aussi vite. Toutes les mesures faites en physique suivent des lois statistiques. Des déviations d’un écart-type entre les valeurs mesurées expérimentalement et celles prédites par la théorie sont observées dans trois mesures sur dix. De plus grands écarts sont moins communs, mais toujours possibles. Une déviation de deux écarts-types se produit dans 5% des mesures, et trois écarts-types, 1%. Il y a aussi des erreurs systématiques reliées aux instruments de mesure. Ces erreurs ne sont pas de nature statistiques mais peuvent être réduites avec une connaissance accrue du détecteur. L’erreur expérimentale associée à chaque résultat correspond à un écart-type. Voici à titre d’exemple deux petites anomalies rapportées durant la conférence et qui ont attiré l’attention cette année.

La Collaboration ATLAS a montré un résultat préliminaire sur la production d’une paire de bosons W. La mesure de ce taux permet d’effectuer des vérifications détaillées du Modèle puisque les théoricien–ne-s peuvent prévoir combien de fois des paires de bosons W sont produites quand les protons entrent en collision dans Grand collisionneur de hadrons (LHC). Le taux de production dépend de l’énergie dégagée pendant ces collisions. Jusqu’ici, on peut faire deux mesures puisque le LHC a fonctionné à deux énergies différentes, soit 7 et 8 TeV.

Les expériences CMS et ATLAS avaient déjà publié leurs résultats basés sur les données recueillis à 7 TeV. Les taux mesurés excédaient légèrement les prédictions théoriques mais restaient tout de même à l’intérieur des marges d’erreur expérimentale avec des déviations de 1.0 et 1.4 écart-type, respectivement. CMS avait aussi publié des résultats basés sur environ 20% de toutes les données accumulées à 8 TeV. Le taux mesuré excédait légèrement la prédiction théorique par 1.7 écart-type. Le dernier résultat d’ATLAS ajoute un élément supplémentaire au tableau. Il est basé sur l’ensemble des données recueillies à 8 TeV. ATLAS obtient une déviation un peu plus forte pour le taux de production de deux bosons W à 8 TeV avec une déviation de 2.1 écarts-types par rapport à la prédiction théorique.

WWResultsLes quatre mesures expérimentales du taux de production de paires de bosons W (points noirs) avec l’incertitude expérimentale (barre horizontale) aussi bien que la prédiction théorique actuelle (triangle bleu) avec sa propre incertitude (bande bleue). On peut voir que toutes les mesures sont plus élevées que les prédictions actuelles, suggérant que le calcul théorique actuel n’inclut pas tout.

Chacune de ces quatre mesures est en bon accord avec la valeur théorique mais le fait qu’elles excèdent toutes cette prédiction commence à attirer l’attention. Très probablement, cela signifie que les théoriciens n’ont pas encore pris en compte toutes les petites corrections exigées par le Modèle standard pour déterminer ce taux suffisamment précisément. C’est un peu comme si on oubliait de noter quelques petites dépenses dans son budget, menant à un déficit non expliqué à la fin du mois. Il pourrait aussi y avoir des facteurs communs dans les incertitudes expérimentales, qui réduiraient l’importance globale de cette anomalie. Mais si les prédictions théoriques demeurent ce qu’elles sont, même en rajoutant toutes les petites corrections possibles, cela indiquerait l’existence de nouveaux phénomènes, ce qui serait passionnant. Il faudra alors surveiller l’évolution de cette mesure après la remise en marche du LHC en 2015 à plus haute énergie, soit 13 TeV.

La Collaboration CMS a présenté elle aussi un résultat intrigant. Un groupe de chercheur-e-s a trouvé quelques événements compatibles avec l’observation d’une désintégration d’un boson de Higgs en un tau et un muon. De telles désintégrations sont interdites dans le Modèle standard puisqu’elles enfreignent la conservation de la « saveur » leptonique. Il y a trois saveurs ou types de leptons chargés (une catégorie de particules fondamentales) : l’électron, le muon et le tau. Chacun vient avec son propre type de neutrinos. Dans toutes les observations faites jusqu’à présent, les leptons sont toujours produits soit avec leur propre neutrino, soit avec leur antiparticule. La désintégration d’un boson de Higgs en leptons devrait donc toujours produire un lepton chargé et son antiparticule, mais jamais deux leptons chargés de saveur différente. Il est tout simplement interdit d’enfreindre cette règle à l’intérieur du cadre du Modèle standard.

Il faudra vérifier tout cela avec plus de données, ce qui sera possible après la reprise du LHC l’année prochaine. Mais d’autres modèles de « nouvelle physique » permettent la violation de la saveur leptonique. Il s’agit de modèles comme ceux comprenant plusieurs doublets de Higgs ou des bosons de Higgs composites ou encore les modèles impliquant des dimensions supplémentaires comme ceux de Randall-Sundrum. Alors si avec plus de données ATLAS et CMS confirment que cette tendance correspond à un effet réel, ce sera une véritable révolution.

HtomutauLes résultats obtenus par la Collaboration CMS pour six types de désintégrations différentes. Tous donnent une valeur non-nulle, contrairement aux prédictions du Modèle standard, pour le taux de désintégration de bosons de Higgs en paires de tau et muon.

Pauline Gagnon

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Bon anniversaire, cher boson!

Friday, July 11th, 2014

C’est en chantant joyeux anniversaire en faussant un peu mais dans la bonne humeur générale que plusieurs centaines de physicien-ne-s ont terminé la journée du 4 juillet lors de la 37ème Conférence internationale de physique des hautes énergies qui se tenait à Valence, en Espagne du 2 au 9 juillet. Il y a deux ans, les expériences ATLAS et CMS avaient annoncé la découverte du boson de Higgs à la veille de la même conférence tenue alors à Melbourne, en Australie. Beaucoup échangeaient des souvenirs sur où ils et elles étaient lors de cette annonce historique.

gateau

A peine deux années plus tard, les deux expériences ont déjà acquis une quantité impressionnante de connaissances sur le boson de Higgs. Les deux groupes ont maintenant mesuré avec haute précision sa masse, comment il est produit et comment il se désintègre. ATLAS a présenté son résultat récemment publié pour la masse combinée du boson Higgs, soit 125.36 ± 0.41 GeV en parfait accord avec la valeur présentée pour la première fois à cette conférence par CMS de 125.03 ± 0.30 GeV.

En présentant son résultat final sur les désintégrations de bosons de Higgs en deux photons, la Collaboration CMS a maintenant complété l’analyse de toutes les données récoltées jusqu’à maintenant. La valeur combinée pour la force du signal, une quantité mesurant le nombre de bosons de Higgs observés comparé au nombre prévu par la théorie, est de 1.00 ± 0.13. ATLAS obtient 1.3 ± 0.18. Ces deux mesures indiquent qu’avec la précision expérimentale actuelle, ce boson est compatible avec celui prévu par le Modèle standard.

On connaît aussi son spin et sa parité, deux caractéristiques propres aux particules fondamentales et équivalant à leurs empreintes digitales. Leur détermination révèle l’identité d’une particule et c’est ainsi que nous savons que le boson découvert il y a deux ans est bel et bien un boson de Higgs.

Reste encore à savoir s’il s’agit de l’unique boson de Higgs prévu par Robert Brout, François Englert et Peter Higgs en 1964 dans le cadre de la théorie actuelle, le Modèle standard. Car ce boson pourrait aussi être le plus léger des cinq bosons de Higgs prévus par une des autres théories plus inclusives comme la supersymétrie proposées pour combler plusieurs lacunes du Modèle standard. Une telle découverte ouvrirait la porte vers ce qu’on appelle communément « la nouvelle physique ».

ATLAS-Higgs-couplingsPlusieurs mesures d’ATLAS sur la force du signal, i.e. une quantité mesurant le nombre de bosons de Higgs produits dans différents canaux et se désintégrant en différentes particules, comparé au nombre prévu par la théorie. Le résultat devrait donc être égal à 1.0 si la théorie est juste. Le symbole “+” en noir indique la valeur théorique prévue tandis que les divers cercles délimitent la zone où on s’attend à trouver la valeur réelle avec un niveau de confiance de 68 % ou 95 %.

Presque toutes les données rassemblées jusqu’à la fin de 2012 – avant l’arrêt technique du Grand collisionneur de hadrons (LHC) pour maintenance et consolidation – ont maintenant été analysées. Et tout ce qui a été mesuré jusqu’ici est en accord avec les prédictions du Modèle standard en tenant compte des marges d’erreur. Non seulement les expériences ont-elles amélioré la précision dans la plupart des mesures, mais elles examinent sans cesse de nouveaux aspects. Par exemple, les expériences CMS et ATLAS ont aussi montré la distribution de la quantité de mouvement du boson de Higgs et de ses produits de désintégrations. Toutes ces mesures testent le Modèle standard avec une précision accrue. Les physicien-ne-s cherchent justement la moindre déviation par rapport aux prédictions théoriques dans l’espoir de trouver la brèche qui révèlerait en quoi consiste la « nouvelle physique », celle qui permettra d’aller au-delà du Modèle standard.

CMS-muUne série de mesures de la force du signal correspondant à différents modes de désintégrations obtenus par la Collaboration CMS. Toutes les valeurs mesurées n’ont révélé aucun écart par rapport à la valeur de 1.0 prévue par le Modèle standard, du moins dans l’état actuel des marges d’erreurs expérimentales. Une déviation suggérerait la manifestation de quelque chose allant au-delà du Modèle standard.

Mais aucune des nombreuses tentatives directes entreprises pour trouver des particules liées à cette nouvelle physique ne s’est avérée fructueuse jusqu’à maintenant. Bien qu’on ait vérifié des centaines de possibilités correspondant à autant de scénarios différents impliquant des particules hypothétiques de supersymétrie, on n’a encore détecté aucun signe de leur présence.

Tout cela s’apparente beaucoup à des fouilles archéologiques : on doit souvent pelleter longtemps avant d’extraire quelque chose de spécial. Chaque analyse effectuée correspond à un seau de terre enlevé. Et chaque petit bout d’information récoltée contribue à fournir une vue d’ensemble. Aujourd’hui, grâce aux dizaines de nouveaux résultats présentés à la conférence, les théoricien-ne-s sont en bien meilleure position pour tirer des conclusions générales, éliminer les modèles erronés et trouver la bonne solution.

Tout le monde attend maintenant avec impatience la reprise du LHC prévue pour le début de 2015 afin de récolter de nouvelles données à plus haute l’énergie et explorer tout un monde de nouvelles possibilités. Tous les espoirs de découvrir la nouvelle physique seront alors renouvelés.

Pauline Gagnon

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Moriond 2014 : de nouveaux résultats, de nouvelles explorations… mais pas de nouvelle physique

Monday, April 14th, 2014

Même avant mon départ pour La Thuile (Italie), les résultats des Rencontres de Moriond remplissaient déjà les fils d’actualités. La session de cette année sur l’interaction électrofaible, du 15 au 22 mars, a débuté avec la première « mesure mondiale » de la masse du quark top, basée sur la combinaison des mesures publiées jusqu’à présent par les expériences Tevatron et LHC. La semaine s’est poursuivie avec un résultat spectaculaire de CMS sur la largeur du Higgs.

Même si elle approche de son 50e anniversaire, la conférence de Moriond est restée à l’avant-garde. Malgré le nombre croissant de conférences incontournables en physique des hautes énergies, Moriond garde une place de choix dans la communauté, pour des raisons en partie historiques : cette conférence existe depuis 1966 et elle s’est imposée comme l’endroit où les théoriciens et les expérimentateurs viennent pour voir et être vus. Regardons maintenant ce que les expériences du LHC nous ont réservé cette année…

Nouveaux résultats­­­

Cette année, le clou du spectacle à Moriond a bien entendu été l’annonce de la meilleure limite à ce jour pour la largeur du Higgs, à < 17 MeV avec 95 % de confiance, présentée aux deux sessions de Moriond par l’expérience CMS. La nouvelle mesure, obtenue par une nouvelle méthode d’analyse basée sur les désintégrations du Higgs en deux particules Z, est environ 200 fois plus précise que les précédentes. Les discussions sur cette limite ont porté principalement sur la nouvelle méthode utilisée pour l’analyse. Quelles hypothèses étaient nécessaires ? La même technique pouvait-elle être appliquée à un Higgs se désintégrant en deux bosons W ? Comment cette nouvelle largeur allait-elle influencer les modèles théoriques pour la nouvelle physique ? Nous le découvrirons sans doute à Moriond l’année prochaine…

L’annonce du premier résultat mondial conjoint pour la masse du quark top a aussi suscité un grand enthousiasme. Ce résultat, qui met en commun les données du Tevatron et du LHC, constitue la meilleure valeur jusqu’ici, au niveau mondial, à 173,34 ± 0,76 GeV/c2. Avant que l’effervescence ne soit retombée à la session de QCD de Moriond, CMS a annoncé un nouveau résultat préliminaire fondé sur l’ensemble des données collectées à 7 et 8 TeV. Ce résultat est à lui seul d’une précision qui rivalise avec celle de la moyenne mondiale, ce qui démontre clairement que nous n’avons pas encore atteint la plus grande précision possible pour la masse du quark top.

ot0172hCe graphique montre les quatre mesures de la masse du quark top publiées respectivement par les collaborations ATLAS, CDF, CMS et D0, ainsi que la mesure la plus précise à ce jour obtenue grâce à l’analyse conjointe.

D’autres nouveautés concernant le quark top, entre autres les nouvelles mesures précises de son spin et de sa polarisation issues du LHC, ainsi que les nouveaux résultats d’ATLAS pour la section efficace du quark top isolé dans le canal de désintégration t, ont été présentés par Kate Shaw le mardi 25 mars. La période II du LHC permettra d’approfondir encore notre compréhension du sujet.

Une mesure fondamentale et délicate permettant d’explorer la nature de la brisure de la symétrie électrofaible portée par le mécanisme de Brout-Englert-Higgs est celle de la diffusion de deux bosons vecteurs massifs. Cet événement est rare, mais en l’absence du boson de Higgs sa fréquence augmenterait fortement avec l’énergie de la collision, jusqu’à enfreindre les lois de la physique. Un indice de la collision d’un boson vecteur de force électrofaible a été détecté pour la première fois par ATLAS dans des événements impliquant deux leptons de même charge et deux jets présentant une grande différence de rapidité.

S’appuyant sur l’augmentation du volume de données et une meilleure analyse de celles-ci, les expériences du LHC s’attaquent à des états finaux multi-particules rares et difficiles qui font intervenir le boson de Higgs. ATLAS en a présenté un excellent exemple, avec un nouveau résultat dans la recherche de la production d’un Higgs associé à deux quarks top et se désintégrant en une paire de quarks b. Avec une limite prévue de 2,6 fois la prédiction du Modèle standard pour ce seul canal et une intensité de signal relative observée de 1,7 ± 1,4, la future exploitation à haute énergie du LHC, avec laquelle la fréquence de cet événement augmentera, suscite de grands espoirs.

Dans le même temps, dans le monde des saveurs lourdes, l’expérience LHCb a présenté des analyses supplémentaires de l’état exotique X(3872). L’expérience a confirmé de manière non ambiguë que ses nombres quantiques Jpc sont 1++ et a mis en évidence sa désintégration en ψ(2S)γ.

L’étude du plasma de quarks et de gluons se poursuit dans l’expérience ALICE, et les discussions ont porté surtout sur les résultats de l’exploitation du LHC en mode proton-plomb (p-Pb). En particulier, la « double crête » nouvellement observée dans les collisions p-Pb est étudiée en détail, et des analyses du pic de ses jets, de sa distribution de masse et de sa dépendance à la charge ont été présentées.

Nouvelles explorations

Grâce à notre nouvelle compréhension du boson de Higgs, le LHC est entré dans l’ère de la physique du Higgs de précision. Notre connaissance des propriétés du Higgs – par exemple les mesures de son spin et de sa largeur – s’est améliorée, et les mesures précises des interactions et des désintégrations du Higgs ont elles aussi bien progressé. Des résultats relatifs à la recherche d’une physique au-delà du Modèle standard ont également été présentés, et les expériences du LHC continuent de s’investir intensément dans la recherche de la supersymétrie.

En ce qui concerne le secteur de Higgs, de nombreux chercheurs espèrent trouver les cousins supersymétriques du Higgs et des bosons électrofaibles, appelés neutralinos et charginos, par l’intermédiaire de processus électrofaibles. ATLAS a présenté deux nouveaux articles résumant de multiples recherches en quête de ces particules. L’absence d’un signal significatif a été utilisée pour définir des limites d’exclusion pour les charginos et les neutralinos, soit 700 GeV – s’ils se désintègrent via des partenaires supersymétriques intermédiaires de leptons – et 420 GeV – quand ils se désintègrent seulement via des bosons du Modèle standard.

Par ailleurs, pour la première fois, une recherche du mode électrofaible le plus difficile à observer, produisant une paire de charginos qui se désintègrent en bosons W, a été entreprise par ATLAS. Ce mode ressemble à celui de la production de paires de W du Modèle standard, dont le taux mesuré actuellement paraît légèrement plus élevé que prévu.

Dans ce contexte, CMS a présenté de nouveaux résultats dans la recherche de la production d’une paire électrofaible de higgsinos via leur désintégration en un Higgs (à 125 GeV) et un gravitino de masse presque nulle. L’état final montre une signature caractéristique de jets de quatre quarks b, compatible avec une cinématique de double désintégration du Higgs. Un léger excès du nombre d’événements candidats signifie que l’expérience ne peut pas exclure un signal de higgsino. On établit des limites supérieures de l’intensité du signal d’environ deux fois la prédiction théorique pour des masses du higgsino comprises entre 350 et 450 GeV.

Dans plusieurs scénarios de supersymétrie, les charginos peuvent être métastables et ils pourraient potentiellement être détectés sous la forme de particules à durée de vie longue. CMS a présenté une recherche innovante de particules génériques chargées à durée de vie longue, effectuées en cartographiant l’efficacité de détection en fonction de la cinématique de la particule et de la perte d’énergie dans le trajectographe. Cette étude permet non seulement d’établir des limites strictes pour divers modèles supersymétriques qui prédisent une durée de vie du chargino (c*tau) supérieure à 50 cm mais elle fournit également un puissant outil à la communauté des théoriciens pour tester de manière indépendante les nouveaux modèles prédisant des particules chargées à durée de vie longue.

Afin d’être aussi général que possible dans la recherche de la supersymétrie, CMS a également présenté les résultats de nouvelles recherches, dans lesquelles un grand sous-ensemble des paramètres de la supersymétrie, tels que les masses du gluino et du squark, sont testés pour vérifier leur compatibilité statistique avec différentes mesures expérimentales. Cela a permis d’établir une carte des probabilités dans un espace à 19 dimensions. Cette carte montre notamment que les modèles prédisant des masses inférieures à 1,2 TeV pour le gluino et inférieures à 700 GeV pour le sbottom et le stop sont fortement défavorisés.

mais pas de nouvelle physique

Malgré toute ces recherches minutieuses, ce qu’on a le plus entendu à Moriond, c’était: « pas d’excès observé » – « cohérent avec le Modèle standard ». Tous les espoirs reposent maintenant sur la prochaine exploitation du LHC, à 13 TeV. Si vous souhaitez en savoir davantage sur les perspectives ouvertes par la deuxième exploitation du LHC, consultez l’article suivant du Bulletin du CERN: “La vie est belle à 13 TeV“.

En plus des divers résultats des expériences du LHC qui ont été présentés, des nouvelles ont aussi été rapportées à Moriond par les expériences du Tevatron, de BICEP, de RHIC et d’autres expériences. Pour en savoir plus, consultez les sites internet de la conférence, Moriond EW et Moriond QCD.

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Grosse moisson de trèfles à quatre feuilles

Wednesday, April 9th, 2014

La collaboration LHCb du CERN vient de confirmer hors de tout doute l’existence d’un état très exotique, quelque chose qui ressemble étrangement à une particule formée de quatre quarks. Aussi exotique qu’elle puisse paraître, cette particule porte le nom très pragmatique de Z(4430)-. Ce nom indique sa masse à 4430 MeV, soit  environ quatre fois celle d’un proton, et signale qu’elle a une charge électrique négative. La lettre Z montre qu’elle appartient à une étrange série de particules communément regroupées sous l’appellation d’états XYZ.

Mais qu’est-ce que cet état a donc de si spécial? Le modèle conventionnel des quark est tout simple: il existe six quarks différents, chacun venant avec son antiparticule. Ces douze particules peuvent se combiner pour former des états liés en regroupant deux ou trois d’entre eux. Par exemple, les protons et des neutrons sont composés de trois quarks. Tous les états faits de trois quarks sont appelés baryons. D’autres particules comme les pions et les kaons, qu’on retrouve souvent dans les désintégrations de particules plus lourdes, sont formées d’un quark et d’un antiquark. Elles appartiennent à la catégorie des mésons. Les centaines de particules observées jusqu’en 2003 étaient toutes classifiées soit comme mésons, soit comme baryons.

Puis vint la grande surprise: en 2003, l’expérience BELLE trouva le premier état lié fait en apparence de quatre quarks. Beaucoup d’autres états exotiques similaires ont été observés depuis. Ces états ressemblent souvent à des états de charmonium ou de bottomonium, des particules qui contiennent respectivement un quark charmé et un antiquark charmé, ou un quark bottom et un anti-bottom. Au printemps dernier, la collaboration BESIII de Beijing a confirmé l’observation du Zc(3900)+, un état aussi détecté par BELLE.

Le 8 avril, la collaboration LHCb a rapporté avoir trouvé l’état Z(4430)- avec dix fois plus d’événements que tous les autres groupes précédents. Leur échantillon de données est si grand qu’il a permis à LHCb de mesurer certaines de ses propriétés sans équivoque. La détermination des nombres quantiques exacts d’une particule équivaut à l’obtention de ses empreintes digitales: cela permet aux physicien-ne-s de cerner plus exactement à quelle particule on a affaire. Il en ressort que l’état Z(4430)- serait formé d’un quark charmé, d’un antiquark charmé, d’un quark d et un antiquark u. Leur mesure exclut toutes autres possibilités.

LHCb-Z(4430)

La distribution de la masse (au carré) des 25200 mésons B se désintégrant en paires de ψ’ π- trouvés par LHCb dans l’ensemble de leurs données. Les points noirs représentent les données expérimentales et la courbe en rouge, le résultat de la simulation lorsqu’on inclut la présence du Z(4430)-. La courbe en pointillés juste en dessous en brun clair montre que la simulation ne peut reproduire les données si on supprime la contribution du Z(4430)-. Ceci établit clairement la présence de cette particule avec 13.9σ (c’est-à-dire le signal est 13.9 fois plus fort que toutes les fluctuations statistiques combinées possible. La fluctuation de chaque point est représentée par la petite ligne verticale qui lui est attachée).

Les théoricien-ne-s sont à pied d’oeuvre pour essayer d’imaginer un modèle pouvant décrire ces nouveaux états. S’agit-il d’états complètement nouveaux faits de quatre quarks liés ensemble, des tétraquarks, ou est-ce une étrange combinaison de deux mésons charmés (des mésons contenant au moins un quark charmé)? La question est toujours ouverte.

Pauline Gagnon

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Pour plus de tails (en anglais) voir le site de l’expérience LHCb

 

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Quelqu’un a-t-il vu mes particules supersymétriques ?

Friday, March 21st, 2014

Voici le dernier d’une série de trois volets sur la supersymétrie, la théorie qui pourrait aller au-delà du Modèle Standard. J’ai expliqué dans un premier temps ce qu’est le Modèle standard et montré ses limites. Puis dans un deuxième volet, j’ai présenté la supersymétrie et expliqué comment elle pourrait résoudre plusieurs lacunes du Modèle standard. Finalement, je passe ici en revue comment les physicien-ne-s essaient de découvrir des « superparticules » au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN.

Si la supersymétrie (ou SUSY pour les intimes) est aussi miraculeuse que prédite, pourquoi aucune nouvelle particule supersymétrique n’a t-elle été trouvée à ce jour ? Il pourrait y avoir beaucoup de raisons, la plus simple étant que cette théorie soit fausse et les particules supersymétriques n’existent tout simplement pas. Si c’était le cas, on devrait alors trouver une alternative pour parer aux lacunes du Modèle standard.

Mais SUSY est toujours une solution plausible et ses particules supersymétriques ont pu nous échapper pour d’autres raisons. Peut-être avons nous regardé au mauvais endroit ou de la mauvaise façon. Ou encore elles pourraient être hors de portée de nos accélérateurs.

Mais au fait où et comment cherche-t-on des particules supersymétriques ? Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) CERN est l’endroit idéal. Cet accélérateur de 27 km de longueur est le plus puissant au monde. Il provoque des collisions entre des protons lancés à une vitesse proche de celle de la lumière. Ces collisions produisent des quantités d’énergie énormes concentrés en de minuscules points de l’espace. Puisque l’énergie et la matière sont deux formes d’une même essence, comme l’eau et la glace, l’énergie libérée se matérialise sous forme de particules fondamentales. Il est donc possible de créer certaines de ces particules supersymétriques au LHC.

Malheureusement, personne ne connaît la masse de toutes ces nouvelles particules. Et sans la masse, c’est un peu comme chercher quelqu’un dans une grande ville sans connaître son adresse. Il faudrait alors ratisser la ville pour découvrir cette personne. Mais imaginez la tâche si vous ne savez même pas à quoi la personne ressemble, comment elle se comporte, ni même la ville ou le pays elle habite.

La supersymétrie est en fait une théorie comportant de nombreux paramètres libres. Ces paramètres représentent des quantités comme les masses des particules supersymétriques ou leurs couplages, c’est-à-dire la probabilité qu’elles se désintègrent en d’autres particules. La supersymétrie ne spécifie pas quelles valeurs ces quantités peuvent prendre.

Les théoricien-ne-s doivent donc faire des suppositions pour réduire la zone de recherches. C’est ainsi que divers modèles de supersymétrie sont apparus. Chaque modèle représente une tentative pour circonscrire la zone de recherche basée sur des suppositions différentes.

Une hypothèse populaire consiste à supposer qu’une certaine propriété appelée la parité R est conservée. C’est le cas pour le modèle minimal de SUSY mais il conserve tout de même 105 paramètres libres. Mais de cette simple supposition surgit une particule de SUSY ayant les caractéristiques de la matière sombre.

Voici comment ça marche : la conservation de R-parité stipule que toutes les particules supersymétriques doivent se désintégrer en d’autres particules supersymétriques. Par conséquent, la particule supersymétrique la plus légère, le LSP (de l’acronyme anglais Lightest Supersymmetric Particle) ne peut se désintégrer en rien d’autre et reste stable. Elle existe pour toujours, comme les particules de matière sombre. Le LSP pourrait donc être la particule de matière sombre tant recherchée.

Comment le Grand collisionneur de hadrons peut-il aider? Autour de l’accélérateur, de grands détecteurs agissent comme des appareils photo géants, enregistrant comment les particules nouvellement créées et fortement instables se brisent, créant de mini feux d’artifice. Ces clichés permettent d’enregistrer l’origine, la direction et l’énergie de chaque fragment et ainsi reconstruire la particule initiale.SUSY-decay-fr

Des particules de SUSY lourdes et instables se désintégreraient en cascade, produisant diverses particules du Modèle standard en chemin. Le LSP serait la dernière étape possible pour n’importe quelle chaîne de désintégration. Généralement, le LSP est un des états de SUSY mélangés sans charge électrique appelée neutralino. Au final, chaque événement supersymétrique contiendrait une particule stable, qui n’interagirait pas avec nos détecteurs. On observerait donc un déséquilibre dans la quantité d’énergie de tous ces événements, indiquant qu’une particule s’est échappée du détecteur sans laisser de signaux dans les diverses couches du détecteur.

Au LHC, les physicien-ne-s des expériences CMS et ATLAS ont trié des milliards d’événements à la recherche de tels événements, mais en vain. Des douzaines d’approches différentes ont été testées et de nouvelles possibilités sont constamment explorées. Chacune correspond à une hypothèse différente, mais rien n’a encore été trouvé.

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Deux événements contenant des gerbes de particules captés par le détecteur ATLAS. (A gauche) un événement très courant contenant deux gerbes de particules. L’événement est équilibré en énergie, tous les fragments ont été enregistrés, aucune énergie ne manque. (A droite) une simulation d’un événement contenant une seule gerbe reculant contre quelque chose qui échappe au détecteur. Le déséquilibre dans l’énergie serait la signature d’une particule de matière sombre comme la particule supersymétrique la plus légère (LSP), une particule qui emporterait une certaine quantité d’énergie, mais n’interagirait pas avec le détecteur et que l’on ne verrait donc pas.

Il se peut aussi que toutes les particules supersymétriques soient trop lourdes pour avoir été produites par le LHC. Une particule peut être créée seulement si suffisamment d’énergie est disponible. On ne peut pas acheter quelque chose qui coûte plus que ce que l’on a dans sa poche. Pour créer des particules lourdes, il faut plus d’énergie. Il est donc toujours possible que toutes les particules de SUSY existent, mais qu’elles soient hors de la portée actuelle de l’accélérateur du LHC. Mais on en saura plus en 2015 quand le LHC reprendra du service à plus haute énergie, passant de 8 TeV à au moins 13 TeV.

Si les particules de SUSY sont assez légères pour être créé à 13 TeV, leurs chances de production seront aussi décuplées, les rendant encore plus facile à trouver. Et si nous ne les trouvons toujours pas, de nouvelles limites seront atteintes, ce qui permettra de se concentrer sur les modèles possibles restants.

SUSY n’a pas encore dit son dernier mot. Il reste de bonnes chances pour que des particules supersymétriques apparaissent quand le LHC redémarrera. Et si c’était le cas, ce serait aussi extraordinaire que la découverte d’un tout nouveau continent.

Pauline Gagnon

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La supersymétrie: une théorie terriblement alléchante

Wednesday, March 19th, 2014

Voici la deuxième partie d’une série de trois sur la supersymétrie, la théorie qui pourrait aller au-delà du Modèle standard. J’ai expliqué dans un premier temps ce qu’est le Modèle standard et montré ses limites. Je présenterai ici la supersymétrie et expliquerai comment elle pourrait résoudre plusieurs lacunes du Modèle standard. Finalement, je passerai en revue comment les physicien-ne-s essaient de découvrir des « superparticules » au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN.

Les théoricien-ne-s doivent souvent attendre pendant des décennies pour voir leurs idées confirmées par des découvertes expérimentales. Ce fut le cas pour François Englert, Robert Brout et Peter Higgs  dont la théorie, élaborée en 1964, ne fut confirmée qu’en 2012 avec la découverte du boson de Higgs  par les expériences du Grand collisionneur de hadrons (LHC).

Aujourd’hui, beaucoup de théoricien-ne-s ayant participé à l’élaboration de ce que l’on connaît maintenant comme la supersymétrie, attendent de voir ce que le LHC révélera.

La supersymétrie est une théorie qui est d’abord apparue comme une symétrie mathématique dans la théorie des cordes au début des années 1970. Au fil du temps, plusieurs personnes y ont apporté de nouveaux éléments, pour finalement aboutir aujourd’hui avec la théorie la plus prometteuse pour aller au-delà du Modèle standard. Parmi les pionniers, il faut d’abord citer deux théoriciens russes, D. V. Volkov et V. P Akulov. Puis en 1973, Julius Wess et Bruno Zumino ont écrit le premier modèle supersymétrique à quatre dimensions, pavant la voie aux développements futurs. L’année suivante, Pierre Fayet a généralisé le mécanisme de Brout-Englert-Higgs  à la supersymétrie et a introduit pour la première fois des superpartenaires pour les particules du Modèle standard.

Tout ce travail ne serait resté qu’un pur exercice mathématique si on n’avait remarqué que la supersymétrie pouvait résoudre certains problèmes fondamentaux du Modèle standard.

Comme nous avons vu, le Modèle standard contient deux types de particules fondamentales : les grains de matière, les fermions avec des valeurs de spin de ½, et les porteurs de force, les bosons avec des valeurs entières de spin.

Le simple fait que les bosons et les fermions n’aient pas les mêmes valeurs de spin les fait se comporter différemment. Chaque groupe obéit à des lois statistiques différentes. Par exemple, deux fermions identiques ne peuvent pas exister dans le même état quantique. Un de leurs nombres quantiques doit être différent. Ces nombres quantiques caractérisent diverses propriétés : leur position, leur charge, leur spin ou leur charge “de couleur” pour les quarks. Puisque tout le reste est identique, deux électrons sur une même orbite atomique doivent avoir deux orientations différentes de spin, une pointant vers le haut, l’autre vers le bas. Cela implique qu’au plus deux électrons peuvent cohabiter sur une même orbite atomique puisqu’il n’y a que deux orientations possibles pour leur spin. Les atomes ont donc plusieurs orbites atomiques pour accommoder tous leurs électrons.

Au contraire, il n’y a aucune restriction imposée au nombre de bosons autorisés à exister dans le même état. Cette propriété explique le phénomène de supraconductivité. Une paire d’électrons forme un boson puisque deux spins de une demie donnent un spin de 0 ou 1 suivant s’ils sont alignés ou non. Dans un supraconducteur, toutes les paires d’électrons peuvent être identiques, chaque paire possédant exactement les mêmes nombres quantiques, ceci étant permis pour les bosons. On peut donc échanger deux paires librement, comme pour du sable mouvant. Tous ses grains de sable sont de taille identique et peuvent changer de position librement, d’où son instabilité. De même, dans un supraconducteur, toutes les paires d’électrons peuvent changer de position, sans aucune friction et donc sans aucune résistance électrique.

La supersymétrie se fonde sur le Modèle standard et associe un « superpartenaire » à chaque particule fondamentale. Les fermions obtiennent des bosons comme superpartenaires et les bosons sont associés à des fermions. Ceci unifie les composantes fondamentales de la matière avec les porteurs de force. Tout devient plus harmonieux et plus symétrique.

SUSY-diagram-Particle-Fever

La supersymétrie se fonde sur le Modèle standard et vient avec plusieurs nouvelles particules supersymétriques, représentées ici avec un tilde (~) au-dessus de leur symbole. (Diagramme tiré du film « Particle Fever » et reproduit avec la permission de Mark Levinson).

Mais il y a d’autres conséquences importantes. Le nombre de particules fondamentales double. La supersymétrie associe un superpartenaire à chaque particule du Modèle standard. De plus, plusieurs de ces partenaires peuvent se mélanger, donnant des états combinés comme les charginos et les neutralinos.

Les implications sont nombreuses. Première conséquence majeure : les deux superpartenaires du quark top, appelés stops, peuvent neutraliser la grande correction du quark top à la masse du boson de Higgs. Deuxième implication: la particule supersymétrique la plus légère (en général un des états mélangés sans charge électrique appelée neutralino) a justement les propriétés que la matière sombre devrait avoir.

Non seulement la supersymétrie réparerait plusieurs gros défauts du Modèle standard, mais elle résoudrait aussi le problème de la matière sombre. On ferait d’une pierre deux coups. Seul minuscule petit problème : si ces particules supersymétriques existent, pourquoi ne les a t’on pas encore trouvées? J’aborderai cette question dans la troisième et dernière partie de cette série.

Pauline Gagnon

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Le Modèle Standard: une belle théorie… défectueuse

Friday, March 14th, 2014

Voici la première partie d’une série de trois sur la supersymétrie, la théorie qui pourrait aller au-delà du Modèle standard. J’explique ici ce qu’est le Modèle standard et montre ses limites. Puis dans un deuxième volet, je présenterai la supersymétrie et expliquerai comment elle pourrait résoudre plusieurs gros défauts du Modèle Standard. Finalement, je passerai en revue comment les physicien-ne-s essaient de découvrir des « superparticules » au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN.

Le Modèle Standard décrit les composantes fondamentales de la matière et les forces qui assurent leur cohésion . Ce modèle repose sur deux idées toutes simples : toute la matière est faite de particules et ces particules interagissent entre elles en échangeant d’autres particules associées aux forces fondamentales.

Les grains de matière de base sont des fermions et les porteurs de force sont des bosons. Les noms de ces deux classes réfèrent à leur spin – une mesure de leur quantité de mouvement angulaire. Les fermions ont des valeurs de spin de un demi tandis que les bosons ont des valeurs entières tel qu’indiqué dans le diagramme ci-dessous.

ModèleStandardLes grains de matière, les fermions, se divisent en deux familles. La famille des leptons compte six membres, l’électron étant le plus connu. La famille des quarks contient six quarks. Les protons et les neutrons sont formés à partir de quarks up et down. Ces douze fermions sont les seules composantes de matière et chacun a une valeur de spin de ½.

Ces particules interagissent entre elles par l’intermédiaire de forces fondamentales. Chaque force vient avec un ou plusieurs porteurs de force. La force nucléaire vient avec le gluon et lie les quarks dans le proton et les neutrons. Le photon est associé à la force électromagnétique. L’interaction faible est responsable de la radioactivité. Elle vient avec les bosons Z et W. Tous ont un spin de 1.

Le point à retenir c’est qu’il existe des grains de matière, les fermions avec un spin de ½, et des porteurs de force, les bosons, avec une valeur entière de spin.

Le Modèle Standard est à la fois remarquablement simple et très puissant. Il vient bien sûr avec des équations complexes qui expriment tout cela d’une façon mathématique. Ces équations permettent aux théoricien-ne-s de faire des prédictions ultra précises. Presque chaque quantité qui a été mesurée dans les laboratoires de physique des particules  au cours des cinq dernières décennies tombe pile poil sur la valeur prévue si on tient compte des marges d’erreur expérimentales.

Alors, qu’est-ce qui cloche avec le Modèle Standard ? Essentiellement, on pourrait dire que le modèle entier manque de robustesse à plus haute énergie. Tant que nous observons divers phénomènes à basse énergie comme nous l’avons fait jusqu’à présent, tout se comporte correctement. Mais comme les accélérateurs deviennent de plus en plus puissants, nous sommes sur le point d’atteindre un niveau d’énergie qui n’avait jusqu’alors existé seulement que peu de temps après le Big Bang. Et à cette énergie, les équations du Modèle Standard commencent à chanceler.

C’est un peu comme avec les lois de la mécanique. Le mouvement d’une particule se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière ne peut pas être décrite avec les lois simples de la mécanique de Newton. Il faut faire appel aux équations de la relativité.

Autre problème majeur du Modèle Standard : il n’inclut pas la gravité, une des quatre forces fondamentales. Le modèle échoue aussi à expliquer pourquoi la gravité est tellement plus faible que les forces électromagnétiques ou nucléaires. Par exemple, un simple petit aimant suffit pour contrecarrer l’attraction gravitationnelle de la Terre entière et peut maintenir un petit objet à votre frigo.

Cette différence énorme entre les forces fondamentales n’est qu’un aspect du « problème de hiérarchie ». Ce terme réfère aussi à la vaste étendue des valeurs de masse des particules élémentaires. Dans le tableau ci-dessus, les masses sont exprimées en unité d’électron-volt (eV), millions d’eV (MeV) et même milliard d’eV (GeV). L’électron est donc 3500 fois plus léger que le tau. Même chose pour les quarks : le quark top est 75000 fois plus lourd que les quarks up et down. Pourquoi existe-t-il une si grande variété de masses parmi les composantes de la matière? Imaginez si un jeu de blocs Lego contenait des briques de tailles aussi disparates!

Le problème de hiérarchie est aussi lié à la masse du boson de Higgs. Les équations du Modèle Standard établissent des relations entre les particules fondamentales. Par exemple, dans les équations, le boson de Higgs a une masse de base à laquelle les théoricien-ne-s doivent ajouter des corrections pour chaque particule interagissant avec le boson de Higgs. Plus la particule est lourde, plus cette correction est grande. Le quark top étant le plus lourd, il apporte une correction si grande à la masse théorique du boson de Higgs qu’il est difficile de comprendre comment la masse mesurée du boson de Higgs puisse être aussi petite.

Tout cela suggère l’existence de nouvelles particules. Par exemple, les corrections à la masse du Higgs venant du quark top pourraient être neutralisées par d’autres particules hypothétiques et expliquer pourquoi la masse du boson de Higgs est si petite. Justement, la supersymétrie prévoit l’existence de telles particules, d’où son attrait.

Finalement, le Modèle Standard ne décrit que la matière ordinaire, soit toute la matière que nous voyons sur Terre et dans les galaxies. Mais les preuves abondent indiquant que l’Univers contient cinq fois plus de « matière sombre », un type de matière complètement différente de celle que nous connaissons. La matière sombre n’émet pas de lumière, mais se manifeste par ses effets de gravitation. Parmi toutes les particules contenues dans le Modèle Standard, aucune n’a les propriétés de la matière sombre. Il est donc clair que le Modèle Standard ne donne qu’une image incomplète du contenu de l’Univers. Mais de la supersymétrie pourrait résoudre ce problème.

Pauline Gagnon

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Maria et Giuseppe: deux vies tissées sur l’histoire du CERN

Wednesday, February 5th, 2014

Le CERN célébrera cette année son 60e anniversaire. Cela signifie 60 ans de recherche scientifique et de découvertes passionnantes. Une physicienne et un physicien italiens se souviennent de presque tout. En effet, Maria et Giuseppe Fidecaro ont commencé à travailler au CERN en 1956. Fait encore plus surprenant, on les y retrouve encore tous les jours !

Le couple est facile à repérer, même lorsque la cafétéria est bondée le midi : ils sont toujours lancés dans des discussions animées. « Nous nous disputons beaucoup, me confie Maria avec un grand sourire. Nous avons des styles très différents. » « Mais en général, à la fin, nous nous mettons d’accord », précise Giuseppe.

Fidecaro-3-smallPhoto: Anna Pantelia, CERN

En octobre 1954, Giuseppe part pour l’Université de Liverpool, pour travailler avec leur tout nouveau synchrocyclotron. Maria en fait de même, ayant obtenu une bourse de la Fédération internationale des femmes universitaires. Après leur mariage, en juillet 1955, ils travaillent sur les pions : Giuseppe, avec un détecteur Cherenkov de verre et de plomb, et Maria, avec une chambre à diffusion. À l’été 1956, les deux chercheurs s’installent à Genève, où Maria a obtenu une bourse du CERN. « Il y avait alors seulement 300, peut-être 400 personnes au CERN », se souvient-elle. Près de l’aéroport, un bel hôtel particulier, appelé « La Villa de Cointrin », abritait les bureaux administratifs, tandis que les physicien(ne)s avaient leurs bureaux dans des baraques voisines.

Au CERN, Giuseppe est assigné à la division Synchrocyclotron. C’était le premier accélérateur du Laboratoire et il fut exploité de 1957 à 1990. Giuseppe y monta un groupe et prépara l’équipement expérimental de base. Le synchrocyclotron fut utilisé en 1958 pour une recherche fructueuse sur les désintégrations de pions en électrons et neutrinos. Ce mode de désintégration n’avait jamais été observé, ce qui soulevait bien des questions à l’époque. C’était la première expérience impliquant un accélérateur au CERN. « La nouvelle a fait le tour du monde ! », se réjouit encore Giuseppe. Le synchrocyclotron a depuis été réhabilité et deviendra bientôt une exposition permanente.

Maria, quand à elle, travaille à l’époque sur une nouvelle méthode visant à fournir des faisceaux de protons polarisés. « C’était à peine dix ans après la fin de la guerre, se souvient-elle. Les souvenirs des conflits étaient encore présents. » « Mais il était vraiment facile de travailler les uns avec les autres. Tout le monde s’entendait bien. Nous avions un but commun », ajoute Giuseppe. Bien que les femmes étaient très peu nombreuses quand elle a commencé, Maria se sentait respectée par ses collègues. « Dans mon groupe, j’étais simplement une scientifique parmi d’autres », fait-elle remarquer.

Alors que la plupart de leurs collègues sont depuis longtemps partis à la retraite, les deux chercheurs ont choisi de rester actifs et font toujours de la recherche, mais dans un style différent. Giuseppe s’intéresse à l’histoire de la physique, tandis que Maria est heureuse de revisiter une partie de son travail passé, s’assurant de ne pas avoir oublié de détails importants. « Dans le feu de l’action, avec les faisceaux et tout le reste, on n’avait pas le temps de prendre de recul sur nos recherches, explique-t-elle. C’est un plaisir aujourd’hui de revenir en arrière, d’avoir une vue plus approfondie et de remettre notre travail dans le contexte de l’époque, du CERN et d’ailleurs. »

Tous les deux sont d’accord : chaque moment était bien. « Le meilleur, c’est d’avoir pu prendre part à tout cela pendant 60 ans », confie Maria. Giuseppe ajoute : « C’était super de pouvoir participer en tant que pionniers à autant d’expériences différentes et d’avoir pu partager le travail de tant de personnes intéressantes ». Et Maria de conclure : « La vie a été gentille avec nous. »

Pauline Gagnon

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Scotty, anti-faisceau!

Tuesday, January 28th, 2014

Tandis que le complexe des accélérateurs du  CERN était à l’arrêt en 2013, l’expérience ASACUSA en a profité pour soigneusement analyser les données prises en 2012 au Décélérateur d’antiprotons (AD). Ce travail minutieux leur a permis d’annoncer dans la revue Nature la toute première production d’un faisceau d’antihydrogène.

Dans les expériences de laboratoire comme celles du CERN, la matière et l’antimatière sont toujours créées en quantités égales. La théorie du Big Bang prévoit que des quantités égales de matière et d’antimatière existaient à l’origine de l’Univers. Cependant, de nos jours, il ne reste aucune trace de cette antimatière “primordiale”. Qu’est-il arrivé à toute l’antimatière qui se trouvait dans l’Univers ?

Pour répondre à cette question, le CERN a un vaste programme d’étude de l’antimatière en cours au AD. On veut vérifier si l’antimatière a les mêmes propriétés que la matière. Une des façons de procéder est de comparer des atomes d’antihydrogène avec des atomes d’hydrogène. On choisit l’hydrogène puisque c’est le plus simple de tous les atomes, avec seulement un électron orbitant autour d’un unique proton.

Les atomes d’antihydrogène sont la réplique des atomes d’hydrogène, mais avec un antiélectron – appelé positron – et un antiproton remplaçant l’électron et le proton des atomes normaux.

Toute matière émet de la lumière quand elle est excitée. C’est ce qui se passe quand on chauffe une pièce métallique. La lumière émise est comme la signature de chaque atome. Par exemple, l’hydrogène émet ou absorbe de la lumière d’une fréquence spécifique quand un électron saute d’un niveau d’énergie à un autre. Il existe aussi “une structure hyperfine ” correspondant aux interactions magnétiques entre le noyau et l’électron.

L’expérience ASACUSA a pour but de vérifier la structure hyperfine de l’antihydrogène. Ceci se fait en observant quelles  fréquences les atomes d’antihydrogène peuvent absorber.

asacusa-realL’expérience ASACUSA au CERN (Photo: Yasunori Yamakazi )

Voici ce qu’ASACUSA a réussi: l’équipe a d’abord produit des atomes d’antihydrogène en ralentissant des antiprotons à très basse température. Puis on a mélangé ces antiprotons avec des positrons pour les combiner à l’aide d’un champ magnétique fort et non-uniforme. Ce champ est nécessaire pour éviter que les antiprotons et les positrons n’entre en contact avec de la matière. Cela causerait leur annihilation immédiate et empêcherait la formation d’atomes d’antihydrogène.

Puis il a fallu déplacer les atomes d’antihydrogène en dehors de ce champ pour pouvoir étudier leur structure hyperfine. Autrement, le fort champ magnétique masquerait les effets minuscules produits par l’interaction magnétique entre l’antiproton et le positron à l’origine de la structure hyperfine.

Mais comme les atomes sont neutres, ils ne peuvent pas être contrôlés par des champs électriques. Cependant, un atome d’antihydrogène ressemble à un minuscule aimant. Les scientifiques ont donc manipulé ces aimants microscopiques en utilisant un champ magnétique non-uniforme, et créé un faisceau d’atomes d’antihydrogène.  Ce faisceau a ensuite été dirigé vers un détecteur situé après une cavité à micro-ondes et un aimant sextupole.

L’aimant sextupole focalise ou défocalise les atomes d’antihydrogène sur le détecteur, dépendamment de l’orientation de leurs minuscules aimants.

ASACUSA

L’expérience ASACUSA. De gauche à droite : les aimants (en gris) utilisés pour  produire les atomes d’antihydrogène, la cavité à micro-ondes (en vert) qui induit des transitions hyperfines, l’aimant sextupole de focalisation (en rouge et gris) et le détecteur à antihydrogène (en jaune). Crédit : Stefan Meyer Institute.

Le détecteur compte le nombre d’atomes d’antihydrogène qui l’atteignent après avoir traversé une cavité à micro-ondes. Cette cavité était éteinte en 2012, mais sera allumée à l’avenir. Les atomes d’antihydrogène absorberont alors seulement les photons micro-ondes ayant exactement l’énergie correspondant aux transitions de la structure hyperfine. L’absorption d’un photon changera la trajectoire de l’atome d’antihydrogène dans l’aimant sextupole et donc réduira le nombre d’atomes d’antihydrogène atteignant le détecteur.

En comptant combien d’atomes d’antihydrogène atteignent le détecteur lorsque la cavité à micro-ondes émettra des photons de fréquences spécifiques, les scientifiques détermineront quelles sont les fréquences de la structure hyperfine.

ASACUSA a maintenant la preuve que 80 atomes d’antihydrogène ont atteint  le détecteur. La prochaine étape consistera à déterminer si moins d’antiatomes seront observés lorsque la cavité à micro-ondes sera allumée à la bonne fréquence.

Nous saurons alors si l’antihydrogène est exactement l’image inversée de l’hydrogène. Ceci révélera si l’antimatière diffère de la matière et pourrait expliquer pourquoi elle est complètement disparue de l’Univers.

Pauline Gagnon

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Un faisceau juste pour vous

Thursday, January 16th, 2014

Dans le cadre de son 60ème anniversaire et pour nous aider à rester jeunes d’esprit, le CERN a lancé une compétition spéciale pour les étudiant-e-s appelée : Un faisceau  pour les écoles.

Le CERN invite donc les étudiant-e-s de 16 ans et plus de n’importe quel pays à soumettre une proposition pour venir effectuer une expérience avec un faisceau de particules du synchrotron à protons (PS). Chaque équipe peut compter jusqu’à 30 étudiant-e-s avec au moins un-e adulte responsable. Cet été, tout au plus neuf étudiant-e-s de l’équipe choisie seront invité-e-s au CERN pour réaliser l’expérience pour l’équipe. Les frais de déplacement et d’hébergement du groupe seront pris en charge par le CERN.

PSVue de l’accélérateur du synchrotron à protons ou PS.

Les propositions seront pré-sélectionnées par un groupe de scientifiques du CERN puis passées en revue par le même comité qui valide toutes les demandes d’expériences des laboratoires opérant au synchrotron à protons et au supersynchrotron à protons.

Alors que pourriez-vous faire? Essentiellement, examiner comment les faisceaux de particules interagissent avec la matière. Vous pourriez par exemple étudier comment des faisceaux contenant différentes particules interagissent avec des cibles de matériaux divers. On jugera les propositions sur leur créativité, leur motivation, leur faisabilité et l’adhésion à la méthode scientifique.

Pour vous aider à comprendre ce qui peut être fait, nous avons préparé de courtes présentations expliquant l’essentiel sur les particules et les faisceaux. Ces présentations sont disponibles en anglais, français, italien, espagnol et allemand. Vous les trouverez sur une liste de sélections sur YouTube qui comprend aussi les enregistrements de discussions sur Google en cinq langues où des scientifiques du CERN répondent à différentes questions sur le projet.

Courrez donc la chance de venir réaliser votre propre expérience au CERN. Le séjour durera environ une semaine et aura lieu en juillet, août ou septembre. Des physicien-ne-s vous aideront à raffiner vos idées avant et pendant votre stage au CERN.

Intéressé-e-s? Vous pouvez rester à jour via le site Web du CERN ou en suivant #bl4s sur Twitter, Facebook, Google+ ou YouTube.

N’hésitez pas et inscrivez-vous avant le 31 janvier 2014. Tout ce que vous avez faire à pour l’instant est de nous envoyer le nom de l’école et des participant-e-s, ainsi qu’un tweet expliquant pourquoi vous pensez que vous devriez gagner cette compétition. Vous aurez encore jusqu’au 31 mars pour compléter votre application, y compris une vidéo d’une minute soulignant l’essentiel du projet. Une occasion à ne pas manquer!

Pauline Gagnon

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