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Posts Tagged ‘supersymétrie’

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.

dijet-monjet
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

Pour être averti-e lors de la parution de nouveaux blogs, suivez-moi sur Twitter: @GagnonPauline ou par e-mail en ajoutant votre nom à cette liste de distribution

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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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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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Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN a cessé d’opérer au printemps pour entreprendre un programme de consolidation majeure, mais la quête pour une « nouvelle physique » se poursuit. Les physicien-ne-s profitent de cette pause pour finaliser toutes leurs analyses avec l’ensemble des données recueillies jusqu’à présent.

Des dizaines de nouveaux résultats ont déjà été présentés par les quatre expériences du LHC lors de diverses conférences depuis la fin des opérations. Bien qu’une poignée seulement de ces résultats ait fait les manchettes, l’information nouvellement disponible permet aux théoricien-ne-s d’affiner leurs modèles.

Même avec la découverte d’un boson de Higgs, les physicien-ne-s savent bien que le Modèle Standard de la physique des particules ne peut pas être la réponse finale car il comporte plusieurs lacunes. Par exemple, il ne fournit aucune explication sur la nature de la matière sombre ou pourquoi les masses des particules fondamentales comme celles des électrons et des muons diffèrent autant.

Une autre théorie appelée supersymétrie (SUSY pour les intimes) offre la possibilité d’étendre le Modèle standard. C’est l’alternative la plus populaire mais encore faut-il arriver à prouver son existence en trouvant les nouvelles particules qu’elle prédit.

La difficulté majeure pour tester cette théorie vient du fait qu’elle introduit de nombreux paramètres. Pour trouver les

nouvelles particules supersymétriques qu’elle prédit, il faut donc explorer un vaste territoire à 105 dimensions, correspondant aux 105 paramètres libres. Trouver ces particules est comme essayer de repérer un visage inconnu dans une foule de millions de personnes.

Heureusement, les théoricien-ne-s tentent d’orienter les expérimentateurs et expérimentatrices en réduisant cet espace autant que possible à l’aide de considérations théoriques et expérimentales. Un modèle qui a gagné en popularité ces derniers temps est appelé le modèle phénoménologique supersymétrique minimal ou pMSSM. Il utilise seulement 19 paramètres.

Ce modèle incorpore l’information provenant de tous les aspects de la physique des particules. Il intègre les contraintes obtenues à partir des mesures des caractéristiques des bosons Z et bosons de Higgs, de la physique du quark b, de l’astrophysique, ainsi que les recherches directes de matière sombre venant des installations sous-terraines et de particules supersymétriques au LHC.

Plusieurs groupes comprenant des théoricien-ne-s et des expérimentateurs et expérimentatrices ont combiné tous ces résultats récents et passés pour déterminer quelles zones de l’espace des paramètres réduit mais toujours considérable du modèle de pMSSM sont toujours permis.

Ils et elles génèrent d’abord des millions de valeurs possibles correspondant aux valeurs de masses et couplages des particules supersymétriques hypothétiques. Les couplages sont en gros des quantités reliées à la probabilité de produire ces particules au LHC.

Ensuite, ils et elles imposent les diverses contraintes obtenues à partir des nombreuses quantités mesurées par les expériences passées et actuelles pour voir quels points parmi toutes ces possibilités demeurent encore autorisés.

Deux théoriciens, Alex Arbey et Nazila Mahmoudi, et un expérimentateur, Marco Battaglia, contrairement à leurs travaux antérieurs, ont inclus dans leur dernière analyse les résultats positifs rapportés par quatre expériences de recherche directe de matière sombre en supposant qu’ils viennent bien de la matière sombre.

Alors que les tentatives d’autres groupes n’avaient pu trouver de scénarios de SUSY en accord avec les possibles signaux de matière sombre,  leurs résultats sont plutôt surprenants: ils ont trouvé des scénarios suggérant la possibilité d’une particule supersymmétrique appelée neutralino qui serait très légère, avec une masse d’à peine 10 GeV, soit douze fois moins que le boson de Higgs. La seconde particule la plus légère serait la super-partenaire du quark b, appelée sbottom, avec une masse d’environ 20 GeV.

SUSY-predictions

La gamme des masses prévues pour les différentes particules supersymétriques ressortant de cette étude. Le boson de Higgs découvert l’été dernier, h0, correspondrait au plus léger des cinq bosons de Higgs prédits par SUSY et la particule de SUSY la plus légère serait le neutralino χ0.

Si ce scénario est correct, comment une particule aussi légère aurait-elle pu échappé à la détection? La raison est simple: la plupart des recherches menées par les expériences CMS et ATLAS ont tenté jusqu’ici de détecter des événements contenant une grande quantité d’énergie manquante.

C’est le cas pour les événements où une particule supersymmetrique lourde et invisible à nos détecteurs s’échappe. De tels critères de sélection sont nécessaires afin de réduire la quantité écrasante de bruit de fond et isoler les rares événements contenant des particules supersymétriques. Mais des neutralinos légers n’emporteraient qu’une petite partie d’énergie et serait donc passée inaperçue.

Pendant que les théoricien-ne-s déterminent quelles régions de l’espace des paramètres sont encore autorisées, les expérimentateurs et expérimentatrices évaluent l’impact de leurs critères de sélection sur la détection des particules ayant les caractéristiques des régions restantes. De nouvelles stratégies sont actuellement recherchées pour explorer cette possibilité.

En opérant le LHC à plus haute énergie en 2015 et en produisant encore plus de données, on pourra obtenir des réponses définitives à ces questions. Ces efforts combinés ouvriront peut-être bientôt la voie à de nouvelles découvertes.

Pauline Gagnon

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