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Le plus grand collisionneur de hadrons ATLAS pourrait prochainement générer de la matière noire sous forme de jets de particules

/// Le LHC ATLAS est l’accélérateur de particules le plus grand et le plus puissant du monde. Il a démarré le 10 septembre 2008 et est le dernier maillon du complexe d’accélérateurs du CERN. Il consiste en un anneau de 27 kilomètres de circonférence formé d’aimants supraconducteurs et de structures accélératrices qui augmentent l’énergie des particules qui y circulent /// photo : CERN

Au CERN, Le grand collisionneur de hadrons “ATLAS” est à la recherche de  “matière noire”

Une nouvelle étude suggère que si la matière noire est fabriquée à partir de versions  « sombres »  des éléments de base de la matière ordinaire, le plus grand accélérateur de particules au monde devrait pouvoir l’épingler.

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/// Image prise en 2014 montrant l'un des cratères sur la péninsule russe de Yamal /// photo : CERN

Les galaxies dans notre Univers semblent accomplir une prouesse remarquable. Leur rotation rapide défie la logique, car la gravité générée par la matière observable à l’intérieur ne devrait pas suffire à les maintenir ensemble ; théoriquement, elles auraient dû se désintégrer depuis longtemps. Cette situation s’applique également aux amas de galaxies. C’est pourquoi les chercheurs sont convaincus qu’un élément invisible intervient : quelque chose qui n’a pas encore été directement détecté confère à ces galaxies une masse supplémentaire, créant ainsi le surplus de gravité nécessaire pour les maintenir cohérentes. Cette entité mystérieuse est connue sous le nom de “matière noire”.

La matière noire

À la différence de la matière ordinaire, la matière noire ne réagit pas à la force électromagnétique. Par conséquent, elle ne peut ni absorber, ni refléter, ni émettre de la lumière, ce qui rend sa détection extrêmement ardue. Les scientifiques ont inféré l’existence de la matière noire uniquement à partir de son effet gravitationnel apparent sur la matière visible. La masse de la matière noire semble être environ six fois supérieure à celle de la matière observable, représentant ainsi environ 28 % de la composition totale de l’Univers. Cela suscite une réflexion profonde : la matière que nous connaissons, constituant toutes les étoiles et les galaxies, ne représente qu’une infime fraction, soit 6 % de l’Univers. La nature de la matière noire demeure énigmatique. Selon l’une des théories, elle pourrait être composée de particules dites “supersymétriques”, des particules hypothétiques associées à celles déjà connues dans le Modèle standard. Les expériences menées au Grand collisionneur de hadrons (LHC) pourraient apporter des éléments plus probants sur la nature de la matière noire.

Des hypothèses suggèrent que les particules constituant la matière noire pourraient avoir une masse suffisamment légère pour être produites au sein du Grand collisionneur de hadrons (LHC). Dans ce scénario, ces particules traverseraient les détecteurs sans être détectées, mais porteraient néanmoins de l’énergie et de l’impulsion. Ainsi, il serait possible d’inférer leur existence à partir de l’énergie et de l’impulsion manquantes après une collision. Les candidats potentiels à la matière noire sont souvent liés à des extensions du Modèle standard de la physique, telles que la supersymétrie et les dimensions supplémentaires. Une de ces théories évoque même l’idée d’une “vallée cachée”, un monde parallèle constitué de matière noire, ayant peu en commun avec la matière que nous connaissons. La confirmation de l’une de ces théories permettrait aux scientifiques de mieux comprendre la composition de l’Univers, notamment en ce qui concerne la manière dont les galaxies maintiennent leur cohésion.

L’énergie sombre

L’énergie sombre constitue environ 69 % de la composition totale de l’Univers et semble être liée au vide spatial. Sa distribution est homogène à travers l’Univers, non seulement dans l’espace mais aussi dans le temps, ce qui signifie que son effet ne s’affaiblit pas avec l’expansion de l’Univers. Cette répartition uniforme indique que l’énergie sombre n’exerce pas d’effet gravitationnel local, mais plutôt un impact global sur l’ensemble de l’Univers. Il en découle une force répulsive qui contribue à accélérer l’expansion de l’Univers. Le taux d’expansion et son accélération peuvent être mesurés par des observations et en appliquant la loi de Hubble. Ces mesures, combinées à d’autres données scientifiques, ont corroboré l’existence de l’énergie sombre et ont fourni une estimation de la quantité que représente cette substance énigmatique.

LHC – ATLAS, LE GRAND COLLISIONNEUR DE HADRONS

ATLAS représente l’un des deux détecteurs polyvalents opérant au sein du Grand collisionneur de hadrons (LHC). Son champ d’étude englobe divers domaines de la physique, allant de la quête du boson de Higgs aux dimensions supplémentaires de l’espace-temps, en passant par l’exploration des particules potentiellement constitutives de la matière noire. Les faisceaux de particules générés par le LHC entrent en collision au point central du détecteur ATLAS. Les débris issus de ces collisions donnent naissance à de nouvelles particules, qui se propagent dans toutes les directions depuis le point de collision. Six sous-systèmes de détection, disposés en couches autour de ce point, enregistrent la trajectoire, l’impulsion et l’énergie des particules, permettant ainsi leur identification précise. Un vaste système d’aimants est utilisé pour courber la trajectoire des particules, facilitant ainsi la mesure de leur impulsion.

Les interactions générées dans les détecteurs d’ATLAS engendrent un flux considérable de données. Pour gérer ces données, ATLAS fait usage d’un système de “déclenchement” de pointe, qui guide le détecteur dans le choix des événements à enregistrer et de ceux à ignorer. Des systèmes sophistiqués d’acquisition de données et de calcul sont ensuite déployés pour analyser les événements enregistrés. Avec ses dimensions imposantes de 46 mètres de long, 25 mètres de haut, 25 mètres de large et un poids de 7000 tonnes, le détecteur ATLAS représente le détecteur de particules le plus volumineux jamais construit. Il est installé dans une caverne, à une profondeur de 100 mètres sous terre, à proximité du site principal du CERN

Depuis mars 2022, l’expérience ATLAS mobilise la collaboration de plus de 5 500 scientifiques provenant de 245 institutions, représentant ainsi 42 pays différents.

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/// Le détecteur ATLAS - Le Plus Grand Collisionneur De Hadrons actuel au monde - Il à été conçu par le CERN en France /// photo : CERN
Une récente tentative de recherche de matière noire n’a pas abouti. Néanmoins, malgré les nombreux efforts de la communauté scientifique, des découvertes récentes laissent entrevoir une lueur d’espoir, offrant des perspectives prometteuses pour les expériences futures visant à traquer cette substance insaisissable.

La majorité des astronomes estiment que la matière noire constitue une part considérable de la masse totale de l’univers. Ils pensent que son existence pourrait expliquer la gravité apparente et détectable au-delà de celle générée par la matière visible, observée autour des galaxies ou au sein d’amas massifs de galaxies. Toutefois, malgré cette hypothèse, personne n’a encore réussi à identifier directement cette matière noire.

Jusqu’à récemment, la principal piste était une catégorie de particules connues sous le nom de WIMP, un acronyme élégant désignant les particules massives à interaction faible. Ces particules théoriques étaient supposées interagir de manière minimale avec la matière ordinaire, à l’exception de l’interaction gravitationnelle. Cependant, malgré les attentes, le Grand collisionneur de hadrons (LHC), qui demeure le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules au monde, n’a pas fourni de preuves concluantes de l’existence des WIMP.

Pour y arriver, les chercheurs et les théoriciens seront contraints d’explorer diverses alternatives conceptuelles et de bousculer certaines lois de la physique pour comprendre de quoi est composée la matière noire.

Les WIMP

Ces particules, envisagées pour expliquer la matière noire, appartiennent à une catégorie qui ne devrait ni absorber ni émettre de lumière, et qui présente une interaction faible avec d’autres particules, un professeur de physique de l’Université de Witwatersrand à Johannesburg à déclaré “Aucune preuve tangible de l’existence de ces WIMP n’a été mise en évidence jusqu’à présent. Pour avancer dans cette recherche, une transformation fondamentale du paradigme actuel dans l’étude de la matière noire pourrait être nécessaire.”

AUTRES PISTES ?

Certains modèles alternatifs de matière noire envisagent que, au lieu d’une interaction faible, la matière noire pourrait, en fait, interagir fortement avec certaines particules du modèle standard. Ce modèle standard est un cadre de la physique des particules décrivant toutes les particules connues ainsi que leurs interactions. Les particules de matière noire sont supposées exister au-delà de la portée du modèle standard. Les modèles qui suggèrent une forte interaction de la matière noire décrivent une ménagerie théorique de particules, comprenant les “quarks sombres” et les “gluons sombres”, qui sont essentiellement des reflets obscurs des quarks et gluons constituant la matière visible et présents dans le modèle standard.

Une nouvelle méthode pour rechercher ces éventuels quarks sombres et gluons sombres dans les collisions à haute énergie entre les protons au sein du LHC a été élaborée. Lorsque les protons s’entrechoquent à des vitesses proches de celle de la lumière à l’intérieur du LHC, ils se décomposent en quarks et gluons qui se désintègrent rapidement, produisant une pluie de particules subatomiques à courte durée de vie, communément appelée “jets”.

La proposition de cette méthode suggère que les quarks sombres et les gluons sombres pourraient se désintégrer pour produire un ensemble de particules, certaines ordinaires et d’autres sombres. Cela entraînerait la création de jets “semi-visibles”. Ces jets sont produits en paires, et si un jet normal et un jet semi-visible étaient produits côte à côte, les particules sombres emporteraient une partie de l’énergie, créant un déséquilibre énergétique révélateur, car les particules sombres ne seraient pas détectées.

Une étude de ces déséquilibres énergétiques a été menée avec l’expérience ATLAS du LHC au CERN. Cependant, étant donné qu’une légère mesure incorrecte de deux jets normaux pourrait imiter le déséquilibre énergétique d’un jet semi-visible, l’analyse des données a dû être réalisée avec une grande précision.

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1 réflexion sur “Le plus grand collisionneur de hadrons ATLAS pourrait prochainement générer de la matière noire sous forme de jets de particules”

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