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Découverte surprenante au LHC avec le détecteur CMS

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Le détecteur géant CMS montre dans des collisions de protons à 7 TeV d'étranges corrélations entre paires de particules qui pourraient signifier la formation imprévue d'un plasma de quarks gluons.

Image d’une collision proton-proton à 7 TeV dans CMS avec production de plus de 100 particules chargées. Crédit : Cern

Il ne s'agit pas de la découverte d'une nouvelle particule, signature d'une nouvelle physique au-delà du modèle standard, qui vient d'être faite par les physiciens du Cern. Le CMS expose la possibilité d'une formation imprévue de plasma de quarks gluons.

Comme on s'y attendait, les collisions aux LHC n'ont pas détruit la Terre en créant un mini trou noir. Après un premier bilan des résultats déjà fournis par le LHC lors de la conférence de l'ICHEP 2010 d'autres sont en train d'être annoncés par les physiciens des hautes énergies au LHC. Ces derniers étudient les produits des réactions entre les quarks et les gluons à l'intérieur des protons entrant en collision dans les détecteurs Atlas, LHCb, Alice et le Compact Muon Solenoid (CMS). 

Le premier résultat nouveau dans le domaine de la physique des particules avec le LHC est peut-être celui de la mise en évidence d'étranges corrélations entre des paires de particules, à l'occasion de productions à haute multiplicité lors de collisions entre protons dans le détecteur CMS.

Un schéma montrant l'intérieur de CMS. © Cern

On sait que plus on monte en énergie, plus il est possible de créer un grand nombre de particules avec une collision entre deux particules initiales. Les répartitions en énergies, quantités de mouvement, distributions angulaires et charges de ces particules dans les détecteurs permettent de remonter aux réactions s'étant produites dans les collisions.

Un excès de corrélations entre des paires de particules

Beaucoup des particules naissant initialement de ces collisions sont très instables et elles se désintègrent en particules qui le sont moins. Ainsi, on ne s'attend pas à voir directement dans les détecteurs Atlas et CMS le boson de Higgs mais bien plutôt les particules en lesquelles il peut se désintégrer, voire, de façon encore plus indirecte encore, des produits de leurs désintégrations.

Un schéma avec une coupe longitudinale de CMS. Les collisions de protons produisent des jets de particules dont les trajectoires sont en jaune au centre de l'image. L'angle est ici donné pour deux paires de particules ayant des trajectoires (jaune) selon un plan longitudinal. © Cern

Dans le cas des observations actuelles avec CMS, les chercheurs croient avoir mis en évidence un excès de corrélations entre des paires de particules chargées produites à haute multiplicitité (plus d'une centaine) lors d'une collision à 7 TeV avec 2 protons. Si cet effet est bien réel et ne résulte pas d'une mauvaise analyse des performances du détecteur, ou des données obtenues, il pointe vers un nouveau phénomène physique à l'endroit de la collision.

Un nouvel effet en QCD ?

Un schéma avec une coupe transversale de CMS. L'angle est ici donné pour deux paires de particules ayant des trajectoires (jaune) selon un plan transversal. © Cern

L'une des interprétations physiques possibles est fascinante. Bien qu'elle ne fasse pas intervenir des théories exotiques comme la supergravité ou la théorie de Kaluza-Klein avec des dimensions spatiales supplémentaires, elle suggère l'apparition d'un effet inattendu en chromodynamique quantique.

La fonction R est une mesure de la corrélation entre les trajectoires de paires de particules produites et détectées dans CMS avec des angles et pour ces trajectoires. Une corrélation peut apparaître lorsque des particules sont crées de façon non indépendante. Dans le cas présent, on voit sur le diagramme de droite que les résultats diffèrent de ceux à quoi on s'attendait et qui sont représentés sur le diagramme de gauche. Ainsi, lorsque que le nombre de particules chargées produites devient important (une centaine) on voit apparaître un excès imprévu de corrélations entre paires sous la forme d'une crête indiquée par la grande flèche. © Cern

En effet, le diagramme montrant des corrélations angulaires entre les paires exhibe des caractéristiques que l'on a déjà vues à l'occasion des collisions d'ions lourds générant un plasma de quarks-gluons dans le cadre de l'expérience RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) du Brookhaven National Laboratory. Nous avons de bonnes raisons de penser que ce plasma existait dans l'Univers observable lorsqu'il n'était âgé que d'un milliardième de seconde environ, pour disparaître lorsqu'il avait atteint un millionième de seconde.

Il est encore trop tôt pour avancer avec certitude une telle explication mais les collisions se poursuivant au LHC, les données vont rapidement s'accumuler. Elles devraient permettre d'y voir plus clair probablement avant la fin de l'année 2010.

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