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LHC : Atlas à la chasse de particules formant les quarks

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Les physiciens de la collaboration Atlas viennent de publier un article portant sur la recherche d'une possible structure composite des quarks. Le détecteur géant du LHC n'en a pour le moment vu aucune mais il a fourni de nouvelles limites pour des théories comme celle des rishons de Haim Harari.

Le physicien Haim Harari, l'un des premiers à avoir proposé une structure composite pour les quarks. © Slac

Il y a peu de temps, les physiciens de la collaboration CMS annonçaient avoir découvert un phénomène intriguant, et pour le moment inexpliqué, dans les collisions de protons à 7 TeV ayant lieu au LHC. Son cousin, le détecteur Atlas, n'a lui rien observé de nouveau mais, paradoxalement, cette absence d'information nous renseigne sur ce que n'est pas une possible physique au-delà du modèle standard.

On sait que la luminosité des faisceaux de proton au LHC est un paramètre clé pour espérer faire de la nouvelle physique. Les réactions de production de particules nouvelles prédites par des théories au-delà du modèle standard sont si peu probables qu'il est vital de disposer d'un nombre important de collisions par seconde pour espérer découvrir en quelques années seulement qu'il existe bel et bien des particules supersymétriques, ou le fameux boson de Higgs par exemple.

Dans l'état actuel des faisceaux au LHC, la luminosité, c'est-à-dire en gros une mesure du flux de particules dans les faisceaux, est encore bien faible mais quelques signaux d'une nouvelle physique peuvent déjà être recherchés. C'est ainsi qu'Atlas a pu être utilisé pour poser les meilleurs bornes à ce jour sur une structure composite des quarks.

Dans le jargon du domaine, les physiciens des particules élémentaires ont cherché des résonnances indiquant l'existence d'un quark q*, c'est-à-dire un état excité lourd des 6 saveurs de quarks contenues dans le modèle standard. Une résonnance se manifeste en gros sous la forme d'une bosse dans une courbe donnant la probabilité de production d'une réaction entre particules élémentaires en fonction d'une énergie.

Une vue en coupe du détecteur Atlas, long de plus de 40 mètres. © Cern.

Des particules plus élémentaires que les quarks et les électrons

Il y a plus de 30 ans, le physicien Haim Harari avait proposé une théorie dans laquelle les différents quarks et leptons (comme l'électron et les neutrinos) étaient tous des états composites de seulement deux particules véritablement élémentaires : les rishons. Cela semblait naturel car il est désagréable que des particules de matière dites fondamentales soient au nombre de 12.

Le mot rishon signifie « primaires » en hébreu. Il y a donc un rishon T, de l'anglais third, car il a une charge électrique de 1/3 e, ou encore Tohu qui signifie « informe » en hébreu et un rishon V de l'anglais vanishes (« disparaît »), car il est électriquement neutre, ou vohu qui signifie « vide », toujours dans la Genèse en hébreu.

Tous les leptons et toutes les saveurs de quarks sont ensuite classés en trois triplets de rishons. Ces groupes de trois rishons ont un spin 1/2 comme il se doit pour un fermion. On a ainsi par exemple :

Chaque rishon ayant bien sûr une antiparticule correspondante.

De la même façon que les atomes peuvent posséder différents états d'énergies et donc différentes masses quand ils sont excités, les quarks du modèle standard devaient pouvoir être portés à des niveaux d'énergies plus élevés si on les fait entrer en collision à suffisamment hautes énergies. Tout comme les atomes retombant dans leur état fondamental en émettant des photons, ces états excités devraient être instables et un quark q* doit redevenir rapidement un quark q ordinaire en émettant des particules.

Une limite sur les masses des quarks excités

Dans le cas des expériences d'Atlas, si quelque chose comme la théorie des rishons d'Harari, ou plus généralement une théorie avec des préons constituant les quarks était exacte, on devait pouvoir observer deux jets d'hadrons opposés (on parle de dijet) bien particuliers. Des caractéristiques de ces jets, il est alors relativement facile de remonter à la masse du quark émetteur. Si ce dernier était bien un état excité q*, il devait apparaître comme plus lourd.

Des recherches précédentes de ce genre ont déjà été faites, en particulier au Tevatron américain, mais grâce à Atlas, on sait maintenant que la bande d'énergie 0,30 TeV - 1,26 TeV est exclue pour les masses d'un quark q*. Rappelons que la masse la plus lourde pour un quark est celle du quark top estimée à 170,9 ± 1,8 GeV. Les théories viables avec des préons composant leptons et quarks devront maintenant tenir compte de ces bornes.

Sinon, comme toujours, on peut suivre l'état des faisceaux au LHC en direct. Dans peu de temps, ce sont des ions lourds pour des expériences dans le détecteur Alice qui vont remplacer les protons pour les collisions.

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