Maintenant que les scientifiques ont trouvé le boson de Higgs, le grand collisionneur de hadrons recherchera une cible encore plus insaisissable: la matière noire. Nous sommes entourés de matière noire et d'énergie noire - des substances invisibles qui lient les galaxies, mais ne se dévoilent pas. Le nouveau travail décrit une méthode innovante de recherche de matière noire par le grand collisionneur de hadrons en exploitant la vitesse relativement lente d'une particule potentielle.
Le monde sombre de la matière noire
«Nous savons avec certitude qu'il existe un monde sombre et qu'il contient plus d'énergie que le nôtre», déclare Lien-Tao Wong, professeur de physique à l'Université de Chicago qui étudie la recherche de signaux dans de grands accélérateurs de particules comme le LHC. Le travail a été publié dans Physical Review Letters.
Bien que le monde sombre représente plus de 95% de l'univers, les scientifiques ne connaissent son existence que par les effets qu'il a - comme un poltergeist, qui n'est visible que si quelque chose bouge sur une étagère ou lorsqu'une lumière clignote. Par exemple, nous connaissons l'existence de la matière noire, car nous voyons son effet gravitationnel - cela aide nos galaxies à ne pas voler en éclats.
Les théoriciens pensent qu'il existe un type particulier de particule sombre qui peut interagir périodiquement avec la matière ordinaire. Il sera plus lourd et durera plus longtemps que les autres particules connues - jusqu'à un dixième de seconde. Selon les scientifiques, plusieurs fois par décennie, une telle particule peut être capturée dans des collisions de protons au LHC, qui se produisent et sont mesurées en permanence.
«Une possibilité particulièrement intéressante est que ces particules sombres à longue durée de vie sont en quelque sorte liées au boson de Higgs - que le Higgs est en fait un portail vers le monde sombre», dit Wong, se référant aux derniers physiciens des particules découverts dans la grande théorie du fonctionnement de l'univers. … Le boson de Higgs a été découvert au LHC en 2012. "Peut-être que les Higgs peuvent réellement se désintégrer en ces particules à longue durée de vie."
Le seul problème est de séparer ces événements du reste; au LHC de 27 kilomètres, il y a plus d'un milliard de collisions par seconde, dont chacune envoie des embruns subatomiques dans toutes les directions.
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Les scientifiques ont proposé une nouvelle méthode de recherche utilisant un aspect particulier d'une telle particule sombre. «S'il est si lourd, il nécessite de l'énergie pour être produit, donc l'élan ne sera pas grand - il se déplacera plus lentement que la vitesse de la lumière», explique Jia Liu, le premier auteur de l'étude.
Ce délai le fera se démarquer du reste des particules. Les scientifiques n'ont qu'à peaufiner le système pour trouver les particules qu'il produit. La différence se situe dans la plage d'une nanoseconde - un milliardième de seconde - ou moins. Mais le LHC dispose déjà de détecteurs suffisamment intelligents pour détecter cette différence; une étude récente utilisant les données collectées lors du dernier lancement du collisionneur a montré que cette méthode devrait fonctionner et que les détecteurs deviendraient encore plus sensibles avec la mise à niveau à venir.
«Nous nous attendons à ce que cette méthode augmente notre sensibilité aux particules sombres à vie longue de plusieurs ordres de grandeur - tout en tirant parti des capacités dont dispose déjà le LHC», déclare Liu. Les expérimentateurs travaillent déjà à la création d'un piège. Lorsque le LHC se rallumera en 2021, après avoir multiplié par 10 la luminosité, les trois principaux détecteurs seront équipés d'un nouveau système.
«Nous pensons qu'il existe un grand potentiel de découverte. S'il y a une particule, nous aurons un moyen de l'extraire."
Ilya Khel
