Le LHC dans son tunnel de 27 kilomètres de circonférence. © LHC

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Supersymétrie : le LHC risque de ne pas détecter certaines nouvelles particules

ActualitéClassé sous :physique , électron , nouvelle physique

L'expérience Acme est loin d'être aussi coûteuse et complexe que celles menées avec le LHC dans ses grands détecteurs. Elle permet toutefois de poser des contraintes sur les masses de certaines particules, notamment postulées par les théories supersymétriques, que pourrait détecter le LHC. Les derniers résultats n'incitent pas à l'optimisme.

La situation actuelle avec le modèle standard en physique des hautes énergies et son correspondant en cosmologie est particulièrement frustrante, surtout pour ceux qui se sont engagés dans des voies permettant de les dépasser au cours des années 1990. Le boson de Brout-Englert-Higgs a bien été découvert au LHC et il se comporte exactement comme prévu par la théorie standard du début des années 1970. L'analyse finale des données du rayonnement fossile, collectées par le satellite Planck, confirme spectaculairement la robustesse de la théorie du Big Bang et crédibilise encore plus l'existence de la matière noire.

Le succès des principes et des méthodes à la base du modèle standard en physique des particules conduit naturellement à postuler de la nouvelle physique, en particulier l'existence de particules supersymétriques qui se trouvent être, tout naturellement aussi, de bonnes candidates pour rendre compte de la matière noire et de son impact sur la formation des grandes structures galactiques. Certains arguments laissaient entendre aussi que ces particules étaient suffisamment légères pour être produites copieusement au cours des premières années du fonctionnement du LHC.

Une présentation de l’expérience Acme. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © ElectronEDM

On sait qu'il n'en a rien été. Pire, les tentatives de détection indirectes et directes de ces particules avec d'autres instruments comme AMS à bord de l'ISS ou Xenon au laboratoire souterrain du Gran Sasso, en Italie, n'ont elles aussi rien donné.

Des bornes sur la Split supersymmetry

Rusés, les physiciens ont cependant plus d'un tour dans leur sac pour aboutir à leur fin. Il y a quelques années, ils avaient commencé à développer l'expérience Advanced Cold Molecule EDM Experiment (Acme) qui permettait d'espérer révéler l'existence d'une nouvelle physique en étudiant la valeur du moment électrique dipolaire de l'électron EDM (Electric dipole moment), comme Futura, à l'époque, l'avait expliqué plus en détail (voir article ci-dessous). Aujourd'hui, les chercheurs d'Acme viennent de publier, dans Nature, de nouvelles bornes sur la valeur de ce moment (et sur les masses des nouvelles particules qui pourraient se manifester en lui donnant une valeur précise).

L'EDM est inférieur à 1,1 × 10−29 e cm, comparé à la meilleure mesure précédente, juste inférieure à 10−28 e cm et le moins que l'on puisse dire est que ce n'est pas une bonne nouvelle pour le LHC et de la nouvelle physique, en particulier supersymétrique. On peut s'en convaincre avec un schéma précédemment donné, montrant les valeurs de l'EDM compatibles avec certaines théories.

La Split supersymétrie (split supersymmetry, en anglais), semble vraiment en difficulté tout comme la fameuse théorie unifiée SO(10). Plus généralement, cela questionne l'existence d'une nouvelle physique avec des particules dont les masses seraient plus légères que 30 TeV environ. Ce qui veut dire qu'il faudrait peut-être disposer d'un LHC de 100 km de circonférence pour découvrir de nouvelles particules, au moins directement...

Un moment dipolaire électrique est le produit d’une charge et d’une longueur. On peut prendre comme unité de base la valeur de la charge électrique élémentaire e pour la charge. Avec en abscisse la valeur de du moment dipolaire d’un électron, on a représenté les bandes de cette valeur compatibles avec plusieurs extensions du modèle standard. La prédiction de ce modèle (standard model) est visible en haut à droite. Elle est très faible et difficilement mesurable, contrairement aux prédictions les plus simples de la supersymétrie (naive Susy), en bas à gauche. © D. DeMille
  • La masse, le moment magnétique et aussi le moment dipolaire électrique de l'électron sont sensibles à l'existence de nouvelles particules de matière et de forces qui modifient leurs valeurs selon les théories proposées pour aller au-delà du modèle standard.
  • Une expérience du nom d'Acme permet de tenter de mesurer le moment dipolaire de l'électron de plus en plus finement. 
  • Une nouvelle borne sur sa valeur maximale n'est pas compatible avec certaines théories dont les particules auraient une masse comprise entre 3 et 30 TeV, ce qui veut dire qu'elles ne pourraient pas être créées au LHC.
  • Une variante des théories supersymétriques, la split supersymmetry, semble en difficulté.
Pour en savoir plus

Supersymétrie : les molécules froides rivalisent avec le LHC

Article de Laurent Sacco publié le 03/12/2013

La théorie quantique des champs dote les électrons d'un moment dipolaire électrique. Sa valeur peut grandement dépendre d'une physique au-delà du modèle standard à des énergies que le LHC peut explorer dans certains cas. On vient de poser de nouvelles bornes sur cette valeur avec de simples faisceaux moléculaires. Elle poserait des difficultés avec des versions simples de la supersymétrie.

Contrairement aux protons et aux neutrons, l'électron est considéré jusqu'à nouvel ordre comme une particule ponctuelle. En physique classique, on ne pourrait donc pas lui attribuer un moment électrique dipolaire, puisqu'il faudrait pour cela que sa charge soit étalée dans un petit volume. Comme on pouvait s'y attendre, la théorie quantique d'un électron dans le cadre du modèle standard des particules élémentaires n'est pas en accord avec cette intuition. On doit lui attribuer un moment électrique dipolaire (electric dipolar moment ou EDM en anglais) ainsi qu'un moment magnétique, comme si l'électron était à la fois un objet chargé étendu et en rotation.

La valeur de ce moment électrique est très faible : 10-39 e.cm. Elle découle de l'existence de paires virtuelles de quarks et d'antiquarks qui apparaissent et disparaissent sans cesse autour de l'électron. Mais si l'on plonge le modèle standard dans le cadre d'une théorie plus générale, cette valeur du moment électrique peut devenir beaucoup plus grande. L'extension la plus simple du modèle standard des années 1980 est celle où l'on dote les neutrinos d'une masse. On sait que c'est bien le cas depuis moins de 20 ans grâce aux premières preuves des oscillations des neutrinos. L'augmentation de la valeur du moment électrique de l'électron reste faible, mais ce n'est plus le cas avec des modèles permettant d'expliquer d'où vient la masse des neutrinos. L'ajout de cette masse est autorisé, mais pas exigé, par les symétries à la base du modèle standard, mais on ne sait pas d'où elle provient. Indépendamment de l'origine de la masse des neutrinos, mesurer un moment électrique dipolaire non nul, donc mettre en évidence une « forme » pour un électron, pourrait entrouvrir une fenêtre sur de la nouvelle physique.

Test des théories de grande unification à basse énergie

Les physiciens en sont bien conscients, et ils tentent de mesurer ce moment électrique depuis des années. En 2011, une expérience avait déjà permis de poser des bornes sérieuses sur de la nouvelle physique. Des physiciens américains et canadiens, membres de la collaboration Advanced Cold Molecule EDM Experiment (Acme), viennent de repousser ces bornes d'un facteur 12. On sait maintenant que le moment électrique dipolaire de l'électron, aux erreurs de mesures près, ne possède pas une valeur supérieure à 8,7 × 10-29 e.cm. Comme on peut le voir sur le schéma ci-dessus, cette nouvelle valeur contraint fortement divers modèles avec de la supersymétrie ou un modèle de grande unification (Gut, ou théorie de grande unification) comme SO(10). Ces modèles supposent l'existence de nouvelles particules qui contribuent, en plus des paires de quarks du modèle standard, à la valeur effective du moment électrique dipolaire de l'électron.

Une présentation de l'expérience Acme. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © ElectronEDM

Pour réaliser cet exploit, les chercheurs ont utilisé une astuce qu'ils expliquent dans un article publié sur arxiv. Comme pour l'expérience précédente, ils ont commencé par fabriquer un faisceau moléculaire avec des molécules froides, c'est-à-dire une sorte de jet de gaz à très basse température. Ils ont judicieusement choisi des molécules polaires de monoxyde de thorium, car ces molécules génèrent en leur sein des champs électriques extrêmement intenses qui agissent sur les électrons présents à certains niveaux d'énergie. Le moment électrique dipolaire des électrons est proportionnel à leur spin, de sorte qu'ils peuvent effectuer un mouvement de précession bien déterminé quand on les plonge dans un champ électrique et un champ magnétique.

En peuplant les niveaux d'énergie mentionnés précédemment avec des impulsions laser et en plongeant le faisceau moléculaire dans des champs électriques et magnétiques externes s'ajoutant à ceux, internes, des molécules de monoxyde de thorium, ce mouvement de précession devient une sonde très sensible à la valeur du moment électrique de l'électron. Cette valeur peut être mesurée indirectement par spectroscopie.

Des particules supersymétriques probablement très lourdes

Si l'on en croit les physiciens, la nouvelle contrainte obtenue, un moment électrique inférieur à 8,7 × 10-29 e.cm, limite en particulier les manifestations de la violation CP que l'on cherche à étudier avec le LHC. Comprendre l'origine de la violation CP contenue dans la fameuse matrice de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) pourrait permettre d'obtenir des éléments de réponse à l'énigme de l'antimatière cosmologique. Surtout, des modèles de supersymétrie parmi les plus simples permettent de rendre compte de la violation CP dans la matrice CKM.

Selon le physicien Adam Falkowski, dans le cadre des théories supersymétriques, les explications les plus simples des résultats de la collaboration Acme impliqueraient que les particules supersymétriques partenaires des particules du modèle standard ont des masses supérieures à environ 10 TeV, et pas inférieures à 1 TeV comme on le pensait. Comme on doit pouvoir progresser significativement dans la précision des mesures avec l'expérience Acme, celle-ci pourrait bien faire plus que jeu égal avec le LHC pour certaines découvertes concernant une physique au-delà du modèle standard.

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