Des signes d'une «nouvelle physique» sont apparus dans deux expériences majeures. Le collisionneur de hadrons Tevatron a enregistré des particules là où elles ne devraient pas être, et l'expérience spatiale PAMELA a trouvé des traces de désintégration de particules de matière noire. Les deux faits s'inscrivent bien dans la théorie selon laquelle la «force obscure» existe
Alors que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) se prépare à être réparé après un accident majeur en septembre, l'américain Tevatron, qui a survécu ces derniers mois en tant qu'accélérateur le plus puissant de la planète, a apporté une surprise inattendue aux physiciens. À la fin de la semaine dernière, les collaborateurs de CDF travaillant sur le détecteur de particules géant Tevatron du même nom ont publié une pré-impression décrivant quelque chose qui va au-delà du modèle standard presque sacré des particules élémentaires pour les physiciens.
S'il s'avère que ce signal n'est pas un effet de fond inexpliqué, cette découverte sera la première preuve terrestre des limites du modèle standard.
Terrestre dans le sens où les astrophysiciens connaissent depuis longtemps la matière noire et l'énergie noire, qui ne rentrent pas non plus dans le modèle standard. Certes, on ne sait pratiquement rien des propriétés des particules qui composent la matière noire.
Tevatron et muons supplémentaires
Avec le détecteur CDF, les physiciens étudient les particules produites par la collision de protons - des particules chargées positivement qui composent tous les noyaux atomiques et des antiprotons - leurs antipodes chargés négativement. Dans l'accélérateur Tevatron, comme son nom l'indique, ces particules sont accélérées à des énergies de près de 1 TeV, soit 1000 GeV - mille milliards d'électrons-volts, et l'énergie de collision est, par conséquent, de près de 2000 GeV, ce qui permet de créer une variété de, même très massives. particules élémentaires.
Cependant, il n'est même pas possible de fixer simplement l'existence de la plupart des particules d'intérêt. En règle générale, ils sont instables et se transforment en plusieurs particules plus légères en une infime fraction de seconde. Ce sont les propriétés des produits de désintégration que le détecteur mesure, et les physiciens alors, selon la métaphore bien connue, «tentent de restaurer le mouvement d'horlogerie, en examinant les fragments d'engrenages d'horloge qui sont entrés en collision à une vitesse proche de la lumière».
L'un des "engrenages" les plus populaires de ce type est le muon. En termes de propriétés, les muons sont très similaires aux électrons ordinaires en orbite autour des noyaux atomiques. Cependant, les muons sont beaucoup plus massifs et sont donc d'une valeur particulière pour les physiciens expérimentaux. D'une part, il est plus difficile de les «induire en erreur» lorsqu'ils rencontrent les protons et les électrons du détecteur, et d'autre part, dans les collisions elles-mêmes, moins d'entre eux naissent, et il est plus facile de distinguer leurs traces dans le détecteur que les trajectoires intriquées de nombreux électrons.
L'une des particules qui a été activement étudiée à l'aide de muons est le soi-disant méson B, qui comprend un quark b lourd (ou antiquark).
Et ici, les muons ont longtemps conduit les expérimentateurs par le nez.
La théorie de la structure et de l'interaction des quarks - la chromodynamique quantique - permet de calculer la probabilité de production de mésons B et leur participation à diverses interactions. Ainsi, il est possible d'estimer le nombre de muons qui naîtront lors de la désintégration de ces particules. Cependant, dans l'expérience, beaucoup plus de muons ont été produits que prévu. De plus, une autre méthode de mesure des propriétés des mésons B a montré des résultats qui sont de mieux en mieux en accord avec la théorie. Les expérimentateurs avaient donc de moins en moins de raisons d'accuser les théoriciens de ne pas savoir compter (et les calculs en chromodynamique quantique sont extrêmement difficiles).
La raison de ces écarts est restée un mystère pendant longtemps, jusqu'à ce que les scientifiques découvrent que certains des muons, que les physiciens ont longtemps pris pour les produits de désintégration des mésons B, n'avaient en fait rien à voir avec eux. Le fait est que le méson B vit très peu de temps et, né de la collision de protons et d'antiprotons, parvient à s'envoler de l'axe du tube à vide, où les collisions se produisent, seulement de 1 à 2 mm. Ici, il se désintègre en muons. Lorsque les scientifiques ont découvert où les muons enregistrés par leur détecteur, le problème des mésons B a été résolu: il s'est avéré que certains d'entre eux étaient beaucoup plus éloignés de l'axe, et la contribution de ces "muons supplémentaires" au résultat final expliquait exactement la divergence avec la théorie.
Mais d'où viennent ces muons "supplémentaires"?
Certains d'entre eux proviennent à 3 mm de l'axe, à cinq et à sept; certains sont complètement à l'extérieur du tube à vide, ce qui ne rentre dans aucune porte.
La «sensation» physique naissante est liée à ces particules. Ce mot, rare pour la vénérable science, caractérise en fait de la meilleure façon l'excitation des théoriciens et des expérimentateurs. Les discussions sur la réalité des signaux trouvés par la collaboration CDF font déjà rage sur les blogs professionnels des physiciens, et sur le site des pré-impressions électroniques de l'Université Cornell, de plus en plus d'explications théoriques sur ce qu'ils ont vu apparaître pour la troisième journée consécutive.
De nouvelles particules?
En principe, il peut y avoir une grande variété de raisons à l'apparition de particules inutiles ou, comme le disent les physiciens, de particules «d'arrière-plan», et l'essentiel de l'article de la collaboration CDF est consacré à l'analyse des raisons possibles de l'apparition d'un signal qui ne fait pas appel à la «nouvelle physique» au-delà de la norme des modèles. Peut-être n'avons-nous pas pris en compte d'autres particules dont sont issus les muons - par exemple, les rayons cosmiques, ou peut-être prenons-nous d'autres produits de désintégration des particules nées dans le Tevatron pour les muons? Enfin, peut-être que les signaux dans le détecteur eux-mêmes, que nous prenons pour des traces de muons, ne le sont pas - bruit, fluctuations statistiques, artefacts de méthodes furieuses de traitement mathématique des résultats expérimentaux?
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Selon les auteurs des derniers travaux, ils n'ont pas trouvé d'explication «standard».
Il est à noter que près d'un tiers de la collaboration - environ 200 personnes sur 600 - a refusé d'apposer leur signature sur l'article, qui faisait l'objet d'un «audit interne» depuis près de six mois. Par…
Tout semble avoir réussi à trouver des signes de l'existence d'une nouvelle particule qui vit beaucoup plus longtemps que le méson B, et elle n'a pas sa place dans la physique que nous connaissons. Cependant, les scientifiques s'abstiennent encore d'une telle affirmation directe: l'expérience de toute une génération de physiciens, maintes fois convaincus de l'applicabilité du modèle standard à des phénomènes apparemment totalement inexplicables, se fait sentir. Mais il est impossible d'ignorer simplement près de 100 000 événements enregistrés par l'un des meilleurs instruments de l'accélérateur toujours le plus puissant sur Terre.
Les propriétés des muons "supplémentaires" sont étonnantes en elles-mêmes. L'un des plus frappants est qu'ils sont très souvent nés en «paquets» - pas une particule à la fois, mais deux, trois, voire huit à la fois. De plus, en règle générale, à partir du moment où ils sont nés, ils ne volent pas dans toutes les directions, mais à peu près dans la même direction - les scientifiques utilisent même le terme «jet muon». Et l'énergie caractéristique d'une nouvelle particule inconnue - si elle existe réellement - est de plusieurs GeV. En d'autres termes, la «nouvelle physique» - si nous commençons vraiment à la distinguer dans le brouillard muonique - commence à des énergies non pas dans les milliers de GeV, vers lesquelles des monstres comme le LHC sont dirigés, mais bien plus tôt.
Et ces propriétés se rapprochent de façon frappante des résultats de l'accélérateur terrestre avec les données publiées quelques jours plus tôt par le détecteur d'antiparticules spatiales PAMELA.
Fraction de positrons en fonction de l'énergie // Groupe PAMELA, arXiv.org
Résultats de l'expérience PAMELA Le
véhicule de recherche international PAMELA à bord du satellite artificiel russe "Resurs-DK1" a enregistré de manière fiable un excès de positrons à haute énergie dans le flux de l'espace chargé …
Selon de nombreux astrophysiciens, l'excès de positrons de haute énergie (antiparticules aux électrons) dans les rayons cosmiques provient de la désintégration ou de l'annihilation de particules de mystérieuse matière noire. C'est un autre élément de la physique au-delà du modèle standard, dont l'existence (et même la domination de masse) les astronomes connaissent depuis longtemps, mais ne peuvent rien dire de valable: c'est pourquoi c'est de la matière noire, qu'elle n'est pas visible, et sa présence ne se dégage que par gravité.
Dark Power
Il s'est avéré que le quatuor de théoriciens de Princeton, Harvard et New York a déjà une explication des résultats de PAMELA, ce qui s'est avéré utile avec les nouvelles données du Tevatron. Selon Nima Arkanihamed et ses collègues, dans le cadre de leur modèle supersymétrique, une explication unifiée et naturelle est obtenue pour l'excès de positrons mesuré de manière fiable par l'appareil PAMELA, un excès à peine discernable de rayons gamma venant apparemment de nulle part, et la lueur brumeuse du centre de la galaxie en gamma et faisceaux radio enregistrés par d'autres satellites astrophysiques.
Conformément au modèle, les particules de matière noire ont une masse d'environ 1000 GeV et ne participent pas aux interactions que nous connaissons. Cependant, ils agissent les uns sur les autres à l'aide d'une force "sombre" à courte portée, qui est portée par une autre particule sombre d'une masse d'environ 1 GeV. En d'autres termes, aux trois types habituels d'interaction, agissant uniquement sur la matière ordinaire (électromagnétique et nucléaire, faible et forte), s'ajoute une autre, qui n'agit que dans le monde de la matière noire. La gravité, comme d'habitude, se distingue, reliant les deux mondes.
Les théoriciens avaient besoin de la force "sombre" pour lier les particules de matière noire en une sorte d '"atomes", dans lequel l'une des particules sombres a une "charge sombre" négative, et l'autre a une "charge sombre" positive. Seule la formation d '"atomes" permet à la matière noire de s'annihiler suffisamment intensément pour expliquer les résultats des observations astrophysiques (c'est le mécanisme dit de Sommerfeld).
Cependant, la particule qui porte la force «sombre» peut déjà se désintégrer directement avec l'émission de particules ordinaires, et c'est cette particule, selon Arkanihamed et ses collègues, qui pourrait être responsable de l'apparition de muons «supplémentaires».
De plus, la désintégration des particules sombres chargées d'une charge sombre se déroule naturellement en cascade jusqu'à ce qu'elle atteigne la particule sombre stable la plus claire, qui n'a rien à décomposer. Chaque étape de cette cascade implique une particule - un porteur de force sombre, et donc un muon supplémentaire peut apparaître à chaque étape. Voilà pour les muons en "packs". Eh bien, le fait qu'ils volent tous dans la même direction est simplement dû au fait que la particule en décomposition se déplace rapidement - de sorte que les charges des feux d'artifice festifs, explosant avant d'atteindre le point le plus élevé de leur trajectoire, jettent des fontaines entières de lumières vives vers l'avant. Voilà pour le "jet".
Cependant, la publication des données par les collaborations CDF et PAMELA entraînera sans aucun doute l'émergence de dizaines, voire de centaines d'explications possibles dans les mois à venir. Il ne vaut donc peut-être pas la peine de s'attarder sur le modèle d'Arkanihamed. Jusqu'à présent, elle ne se distingue que par le fait qu'elle s'est avérée être au tribunal pour interpréter ces données et d' autres.
Bien sûr, il est possible que les deux résultats expérimentaux reçoivent des explications plus triviales. Les "muons supplémentaires" peuvent s'avérer n'être rien de plus qu'un effet instrumental non comptabilisé de l'installation géante CDF, et des "positrons supplémentaires" peuvent être générés à proximité des étoiles à neutrons dans notre galaxie.
Mais les perspectives sont intrigantes. Dans le monde de la matière noire, qui jusqu'à récemment ressemblait à une turbidité sans forme derrière laquelle les astronomes cachent leur incompréhension de la structure du monde, une structure a commencé à émerger - des interactions, des "charges sombres", des "atomes sombres". Peut-être que la physique n'est pas terminée et que les nouvelles générations de scientifiques auront quelque chose à étudier dans le «monde sombre».
