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La quête d’une nouvelle physique avec le programme de ‘Physique au-delà des Collisionneurs’. (The quest for new physics with the ‘Physics Beyond Collider’ program)

Cet article que j’ai obtenu dans ‘Nature’ le 6/04, nous dit à quel point l’horizon pour une nouvelle physique est bouché tant sur le plan expérimental que théorique et en conséquence tous les indices qui pourraient servir de porte d’entrée vers cette nouvelle physique appelée sont répertoriés et analysés. L’équipe de trois physiciens qui a présenté cet article qui constitue un rapport de synthèse ne s’aventure pas au-delà d’une perspective de prolongement du modèle standard (SM). Il est ancré que l’impasse actuelle ne peut pas être due aux processus d’une accumulation de surestimations et d’extrapolations de concepts exploités dans le cadre de la théorie quantique des champs. Rebrousser chemin semble inenvisageable, on le constate en ce qui concerne les neutrinos qui sont toujours affublés d’attributs puisés dans le vivier, pour eux étriqué, du SM, comme par exemple d’une masse d’inertie alors que selon ma conviction les neutrinos sont les vecteurs d’une physique autre que celle qui contribue à caractériser le SM. Cet article est intéressant car en creux il nous permet d’évaluer tout le chemin qui reste à parcourir.

Je n’ai pas traduit toute la partie de l’article qui indique tous les sites expérimentaux qui permettraient de mener des expériences pour résoudre les inconnues citées ci-après. Ce que je peux vous dire c’est que quelques-unes ont été déjà réalisées et ont donné des résultats négatifs dans les limites des précisions des résultats expérimentaux.

            Présentation

Ces dernières années, l’intérêt pour les méthodes complémentaires pour les collisionneurs à haute-énergie-frontière pour étudier la physique des particules élémentaires et des forces a augmenté. Ce développement est motivé par les résultats négatifs jusqu’à présent des recherches de nouvelles particules avec de fortes masses au Grand collisionneur de hadrons, et par des tentatives théoriques de rendre compte des masses de neutrinos et de résoudre des énigmes cosmologiques telles que la matière noire, l’énergie sombre et l’asymétrie de la matière-antimatière dans l’Univers. Traditionnellement, le CERN a accueilli une multitude de projets d’accélérateur et de non-accélérateur sous la frontière de haute énergie, dans lequel plus d’un millier de physiciens sont actuellement impliqués. L’étude Physics Beyond Colliders (PBC) a été lancée il y a trois ans pour explorer l’avenir de ce domaine. Nous donnons ici un aperçu des diverses propositions de la PBC, allant de l’exploration du secteur obscur aux mesures de précision des processus fortement interactifs. La méthodologie utilisée pour comparer la portée de ces projets — basée sur un ensemble de modèles de référence communs — a suscité l’intérêt pour les communautés tout autant des collisionneurs, des neutrinos, ainsi que des non-accélérateurs et peut fournir un aperçu complet de la façon dont la plage des paramètres pour la physique au-delà du Modèle Standard devrait être explorée dans le contexte mondial.

            Principalement

La physique des particules fondamentales se trouve actuellement dans la position intéressante d’être absolument certaine qu’il doit y avoir une physique au-delà du Modèle Standard actuel (SM), décrivant les particules élémentaires et les forces faibles, électromagnétiques et fortes, tandis qu’en même temps elle fait face au défi qu’il semble extrêmement difficile de trouver cet au-delà. Des preuves convaincantes de la cosmologie suggèrent que 95% de toute la matière et l’énergie dans l’Univers se compose de matière noire (DM) et d’énergie sombre, non décrites au sein du SM, bien que la grande majorité des expériences sur Terre sont en accord avec une précision étonnante avec les prédictions du SM. Il existe deux façons de concilier au-delà de la physique du Modèle standard (Beyond Standard Model : BSM) avec une non-observation dans les expériences actuelles : « les nouvelles particules pourraient être soit très massives, soit très faiblement interactives avec le SM »

Motivations théoriques

Avant sa découverte, la masse boson de Higgs était attendue dans la fourchette autour de 100-1.000 GeV sur la base des considérations de cohérence du SM à des énergies supérieures à 1 TeV (réf. 5). La situation a maintenant fondamentalement changé parce que le SM, avec le boson de Higgs d’environ 125 GeV, ne donne aucune indication claire de l’endroit où la nouvelle physique pourrait être trouvée. La quête de la physique BSM nécessite une vaste gamme de masses de particules et de couplages à explorer. Les collisionneurs à haute énergie tels que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) et les machines proposées comme le collisionneur linéaire international, le collisionneur linéaire compact ou le collisionneur circulaire futur, sont cruciaux pour l’observation directe des particules putatives très massives. Des expériences complémentaires à faible énergie mais à haute intensité ou précision, comme nous l’avons vu dans le cadre du programme PBC, recherchent des particules à faible masse et à faible interaction, ou à très haute masse, ces dernières devenant accessibles grâce à leurs effets indirects sur les observables. Bien qu’il n’existe actuellement aucune preuve décisive de déviations de la part du SM dans le cadre d’expériences de haute intensité ou de précision, quelques indices significatifs nécessitent une enquête plus approfondie.

Les énigmes cosmologiques, ainsi que les anomalies actuelles, pourraient s’expliquer par l’existence d’un secteur sombre — de nouvelles « particules cachées » qui ne portent aucune charge de jauge du SM et qui interagissent donc faiblement avec la matière ordinaire, ou/et qui vivent très longtemps. Dans le cadre de l’étude PBC, un ensemble de modèles de référence représentant des extensions prospectées et bien motivées du SM ont été définis. Ces modèles sont basés sur l’idée de portails vers un secteur sombre qui sont les interactions les plus simples entre les particules SM et les nouvelles particules cachées. En particulier, l’étude PBC se concentre sur les modèles suivants.

Photons noirs avec et sans particules DM supplémentaires

Les interactions du SM proviennent de trois groupes de jauge donnant lieu au photon pour l’interaction électromagnétique, les bosons W⁺ et W^- et Z⁰ pour l’interaction faible et les gluons pour l’interaction forte. Le photon est le transporteur de force le plus simple parce qu’il ne porte pas de charge et ne se couple donc pas à lui-même. Une potentielle extension minimale du SM est donc par le biais d’un « photon sombre » supplémentaire qui ne correspond pas à des particules massives de SM. En conséquence, la seule et potentielle interaction très faible du photon noir avec une particule SM est via un petit mélange avec le photon, résultant en une petite probabilité de conversion du photon noire en un photon. Cette extension, la plus simple du SM, des interactions de jauges par une additionnelle particule semblable-photon (photon-like) a beaucoup d’applications dans la construction du modèle de DM.

Leptons neutres lourds

Tous les fermions chargés du SM existent dans une version gauche et droite (naïvement, la main se réfère au sens de la rotation du spin au regard de la direction du mouvement). Les neutrinos non chargés n’ont été observés que comme particules gauches. Cependant, il semble naturel (sic) pour les neutrinos d’avoir des homologues droits. Semblable aux photons sombres, ces neutrinos droits n’interagiraient que par le biais de petits mélanges avec les neutrinos du SM. Les neutrinos droits peuvent jouer un rôle dans l’explication des petites masses de neutrinos, de la matière noire (DM), et aussi à propos de la domination de la matière sur l’antimatière dans l’Univers.

Nouvelles particules scalaires

D’une manière générale, les particules scalaires, ne portant ni spin ni charge, sont les particules les plus simples imaginables. L’interaction la plus directe de scalaires supplémentaires avec le SM serait par le mélange avec le seul autre scalaire fondamental connu, c’est-à-dire le boson de Higgs. S’ils sont couplés au boson de Higgs, d’autres scalaires pourraient être en mesure de trouver des solutions au problème dit de la hiérarchie, qui fait référence au casse-tête de la raison pour laquelle l’échelle énergétique des interactions faibles est tellement plus petite que celle de la gravité. De nouvelles particules scalaires ont également été discutées en relation avec la DM.

Axions et particules axions-semblables (axion-like)

Les axions et les particules de type axions sont des particules (pseudo-)scalaires. Contrairement aux nouveaux scalaires dont il est question ci-dessus, ils sont spéciaux en ce sens qu’ils sont considérés comme des restes d’une symétrie sous-jacente. Pour cette raison, on s’attend à ce que les axions et les particules axion-like soient légères et que leurs interactions soient fortement supprimées. Des axions ont été proposés pour expliquer la symétrie parité (miroir) de l’interaction forte, démontrée avec une grande précision par le moment du dipôle électrique (EDM) du neutron observé nul. Les particules axions-like sont également de bons portails vers la DM et sont même des candidats DM prometteurs eux-mêmes.

Bien que ces modèles de référence ne constituent pas une liste exhaustive de modèles DM et du secteur obscur, ils fournissent un moyen utile de comparer les sensibilités des différentes expériences et de voir comment ils se complètent les uns les autres. Ils fournissent également une carte des zones cibles prometteuses suggérées par les problèmes ouverts de la physique des particules et fournissent des indices actuels d’anomalies expérimentales.

En plus de la nécessité d’une nouvelle physique, il faut reconnaître que même le SM n’est pas encore entièrement compris. En particulier la théorie des interactions fortes : chromodynamique quantique (QCD)…

Anomalies comme indices potentiels pour la nouvelle physique

Un petit nombre de mesures et d’observations peuvent indiquer par exemple des écarts aux prévisions du SM au niveau de deux à quatre ‘écarts standard’ (σ). Ces indices peuvent être les premiers signes d’une découverte imminente d’une nouvelle physique et fournir une incitation attrayante pour la construction de modèles théoriques. À leur tour, ces modèles théoriques permettent alors de concevoir de nouveaux, et plus significativement, différents tests pour interpréter ces anomalies. Cependant, il est important de noter que la signification usuelle ne couvre généralement que les incertitudes statistiques et les erreurs systématiques connues. Par conséquent, des expériences indépendantes pour mesurer les quantités en question sont souhaitables pour confirmer la véracité des observations anormales. Dans ce qui suit, nous discutons brièvement des indices les plus intrigants.

Anomalies B

La désintégration des B-mésons montrent plusieurs écarts de 2 à 3 σ par rapport aux prévisions du SM. Notamment, dans le modèle SM, on s’attend à ce que le couplage de jauge des différents leptons (e, µ ou τ) soient égaux. Pourtant, les mesures indiquent une violation potentielle de cette universalité attendue. Les extensions appropriées du SM (par exemple, basées sur une théorie effective de champ) permettent une explication sans violer d’autres contraintes expérimentales.

(g - 2) du muon

La valeur du moment du dipôle magnétique du muon peut être calculée et mesurée avec une précision remarquable. Il s’agit donc d’un test de précision classique du SM. La mesure de référence indique une déviation de 3σ à 4σ par rapport aux attentes du SM (notamment les incertitudes théoriques et expérimentales sont de taille similaire). Les explications pourraient provenir de corrections quantiques dues à la faible échelle de l’ordre de 100Gev de particules avec des couplages O(1) ou avec des particules beaucoup plus légères de 10 à 100 Mev avec couplages O(10^-3). Un exemple minimal de ce dernier type — un photon noir — fournit un exemple intéressant de l’endroit où le modèle théorique a conduit à un test expérimental. Ce test a conduit à une expérience avec une cible fixe avec des collisionneurs à faible énergie a jugé que le photon noir n’était pas une explication possible. D’autres modèles simples dans ce domaine restent viables. Une nouvelle expérience prend actuellement des données au Fermilab aux États-Unis avec la promesse de réduire l’incertitude expérimentale sur (g - 2) par un facteur de quatre.

Anomalie de Béryllium

Des expériences menées à l’installation d’Atomki en Hongrie ont étudié les paires d’électron-positron émises dans la désintégration des états excités de ⁸Be et ⁴He. Dans les deux cas, ils trouvent plus d’événements que prévu à de grands angles entre l’électron et le positron. Une explication potentielle pourrait être un nouveau boson qui est émis du noyau à faible vitesse et se désintègre par la suite dans une paire électron-positron. Dans le référentiel au repos de cette particule, l’angle électron-positron serait de 180 degrés et, en raison de la faible vitesse, l’angle dans le référentiel du laboratoire ne serait que légèrement comprimé. Cela indiquerait une masse du boson de 17 MeV.

Anomalies de refroidissement

Plusieurs systèmes astrophysiques tels que les naines blanches et les étoiles à branche horizontale, ainsi que les restes de supernova, semblent refroidir légèrement plus vite que prévu. Cela pourrait indiquer une perte d’énergie supplémentaire par l’émission de particules légères extrêmement faiblement couplées, (masses inférieures à 100 keV). Si de telles particules sont produites à l’intérieur d’une étoile, elles partent immédiatement. Cela contraste avec, par exemple, les photons qui sont dispersés plusieurs fois sur leur chemin vers la surface, réduisant ainsi la perte d’énergie via cette route. Pour cette raison, des particules de lumière extrêmement faiblement couplées peuvent entraîner une perte d’énergie importante malgré une force d’interaction relativement faible.

Transparence des rayons gamma

Les rayons gamma à haute énergie qui se propagent dans l’Univers perdent de l’énergie par les collisions avec la lumière de fond extragalactique, créant ainsi des paires électron-positron. Les observations constatent qu’il y a plus de photons à haute énergie que prévu, ce qui indique un moyen de contourner ce mécanisme d’épuisement énergétique. Une option est qu’en présence de champs magnétiques, certains photons se transforment en bosons très légers, notamment en particules axions-like. Ceux-ci voyagent alors sans être absorbés par la création de paires et finalement se reconvertissent en photons.