15 Juillet 2019  |  Physique
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 04/2019

À la recherche de particules exotiques

La Commission de la recherche du CERN a approuvé une nouvelle expérience auprès du LHC, qui s’intéressera aux particules légères interagissant faiblement. Elle complétera le programme de physique de l’Organisation, en élargissant son potentiel de découverte à plusieurs nouvelles particules.

En raison de l’intérêt croissant pour les particules qui restent encore à découvrir, notamment celles à longue durée de vie, ainsi que les particules de l’hypothétique matière noire, de nouvelles expériences ont été proposées pour accroître le potentiel scientifique du complexe d’accélérateurs et de l’infrastructure du CERN, dans le cadre de l’étude sur la physique au-delà des collisionneurs (étude PBC).
«Dans ce contexte, l’expérience FASER (Forward Search Experiment) contribue à diversifier le programme de physique des collisionneurs – tels que le LHC –, en permettant d’aborder, sous un angle différent, les questions restées sans réponse sur la physique des particules», explique Mike Lamont, co-coordinateur du groupe d’étude PBC.
 
Illustration en 3D du futur détecteur FASER dans le tunnel TI12. Le détecteur est aligné avec précision sur l’axe de collision d’ATLAS, à 480 m du point de collision.(Image: FASER/CERN)
 
 
Les quatre détecteurs principaux ne suffisent pas
Les quatre détecteurs principaux du Grand collisionneur de hadrons (LHC) ne sont pas en mesure de détecter les particules légères interagissant faiblement, qui pourraient être produites parallèlement à la ligne de faisceau. Celles-ci pourraient parcourir des centaines de mètres sans interagir avec de la matière, avant de se transformer en particules connues et détectables, comme des électrons et des positons.
Il se peut que de telles particules exotiques échappent aux détecteurs situés le long des lignes de faisceau et passent ainsi inaperçues. C’est la raison pour laquelle le détecteur FASER sera placé sur la trajectoire du faisceau, 480 m en aval du point d’interaction du détecteur ATLAS.
 
FASER: un détecteur relativement petit et peu coûteux
Alors que la trajectoire des protons des faisceaux sera incurvée par les aimants du LHC, les particules légères interagissant très faiblement poursuivront leur route en ligne droite, et leurs produits de désintégration pourront alors être détectés par l’expérience FASER. Les nouvelles particules potentielles resteraient fortement alignées avec le faisceau, se dispersant très peu, ce qui permettrait à un détecteur relativement petit et peu coûteux de les rechercher avec un haut degré de sensibilité.
La longueur totale du détecteur FASER est inférieure à 5 m et sa principale structure cylindrique a un rayon de 10 cm seulement. Il sera installé dans un tunnel latéral le long d’une ligne de transfert inutilisée, qui relie le LHC à son injecteur, le Supersynchrotron à protons. Pour que le détecteur FASER puisse être construit rapidement et à moindre coût, des pièces de rechange fournies par les expériences ATLAS et LHCb, seront utilisées. La collaboration responsable de sa construction et des futures expériences, qui regroupe seize instituts, est soutenue par la Fondation Heising-Simons et la Fondation Simons.
 
Rechercher les particules de la matière noire
L’expérience de FASER aura pour objectif de rechercher une classe de particules hypothétiques, en particulier des photons noirs, ainsi que des neutralinos. Certaines de ces particules seraient associées à l’hypothétique «matière noire», un type de matière qui, n’étant pas sensible à la force électromagnétique, ne peut émettre de lumière, ce qui la rend difficile à détecter. Les données astrophysiques montrent que la matière noire représente 27 % environ de l’Univers; elle n’a toutefois jamais été observée ni étudiée en laboratoire.
 
Une physique au-delà du Modèle standard
L’expérience, qui sera installée au cours de l’actuel long arrêt du LHC, sera prête à acquérir des données à partir de la troisième période d’exploitation du collisionneur, entre 2021 et 2023. «C’est vraiment formidable que l’expérience FASER puisse être installée au CERN. De plus, la collaboration a été mise sur pied en un temps record et nous avons tous hâte d’enregistrer nos premières données lorsque le LHC redémarrera en 2021», explique Jamie Boyd, co-porte-parole de l’expérience FASER. «FASER est un projet intéressant, car il aborde un point particulier de la quête d’une physique au-delà du Modèle standard; je suis heureux de le voir se réaliser avec autant d’efficacité», ajoute Eckhard Elsen, directeur de la recherche et de l’informatique du CERN.
 
CERN
1211 Genève
Tél. 022 767 84 84


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