La théorie régissant la physique des particules explique tout sur le monde subatomique… sauf pour les parties qu'il ne fait pas. Et malheureusement, il n'y a pas beaucoup d'adjectifs flatteurs qui peuvent être appliqués au soi-disant modèle standard. Construite petit à petit au cours des décennies, cette théorie de la physique fondamentale est mieux décrite comme disgracieuse, méli-mélo et MacGyver-ed avec des morceaux de ficelle et de chewing-gum.
Pourtant, c'est un modèle incroyablement puissant qui prédit avec précision une grande variété d'interactions et de processus.
Mais il présente quelques lacunes flagrantes: il n'intègre pas la gravité; il ne peut pas expliquer les masses de diverses particules, dont certaines confèrent une force; il n'a pas d'explication pour certains comportements des neutrinos; et il n'a pas de réponse directe à l'existence de la matière noire.
Donc, nous devons trouver quelque chose. Nous devons aller au-delà du modèle standard pour mieux comprendre notre univers.
Malheureusement, bon nombre des principaux prétendants à expliquer ce grand au-delà - appelé théories supersymétriques - ont été exclus ou sévèrement limités ces dernières années. Il existe cependant un concept de Je vous salue Marie qui pourrait expliquer les parties mystérieuses de l'univers non couvertes par le modèle standard: des particules supersymétriques à longue durée de vie, parfois appelées sparticules pour faire court. Mais déprimant, une récente recherche de ces particules bizarres est revenue les mains vides.
Symétrie pas si super
De loin, l'ensemble des théories les plus à la mode qui dépassent les limites du modèle standard actuel sont regroupées dans une classe d'idées connue sous le nom de supersymétrie. Dans ces modèles, les deux principaux camps de particules dans la nature (les «bosons», tels que les photons familiers et les «fermions» - comme les électrons, les quarks et les neutrinos) ont en fait une étrange relation fraternelle. Chaque boson a un partenaire dans le monde des fermions, et, de même, chaque fermion a un ami boson qui s'appelle le sien.
Aucun de ces partenaires (ou plus adéquatement dans le jargon déroutant de la physique des particules - les "superpartenaires") ne fait partie de la famille normale des particules connues. Au lieu de cela, ils sont généralement beaucoup, beaucoup plus lourds, étrangers et généralement plus étranges.
Cette différence de masse entre les particules connues et leurs superpartenaires est le résultat de quelque chose appelé rupture de symétrie. Cela signifie qu'aux hautes énergies (comme l'intérieur des accélérateurs de particules), les relations mathématiques entre les particules et leurs partenaires sont sur une quille uniforme, conduisant à des masses égales. À faible énergie (comme les niveaux d'énergie que vous ressentez dans la vie quotidienne normale), cependant, cette symétrie est rompue, ce qui fait monter en flèche les masses de particules partenaires. Ce mécanisme est important, car il se trouve aussi qu'il peut potentiellement expliquer pourquoi, par exemple, la gravité est tellement plus faible que les autres forces. Le calcul est juste un tout petit peu compliqué, mais la version courte est la suivante: quelque chose s'est brisé dans l'univers, ce qui a rendu les particules normales considérablement moins massives que leurs super-partenaires. Cette même action de rupture peut avoir puni la gravité, diminuant sa force par rapport aux autres forces. Nifty.
Vivez longtemps et prospérez
Pour chasser la supersymétrie, un groupe de physiciens a intégré et construit le destructeur d'atomes appelé le grand collisionneur de hadrons, qui, après des années de recherches ardues, est arrivé à la conclusion surprenante mais décevante que presque tous les modèles de supersymétrie étaient erronés.
Oups.
Autrement dit, nous ne pouvons trouver aucune particule partenaire. Zéro. Rien. Nada. Aucun signe de supersymétrie n'est apparu dans le collisionneur le plus puissant du monde, où les particules sont zippées autour d'un engin circulaire à une vitesse proche de la lumière avant d'entrer en collision les unes avec les autres, ce qui entraîne parfois la production de nouvelles particules exotiques. Cela ne signifie pas nécessairement que la supersymétrie est fausse en soi, mais tous les modèles les plus simples ont maintenant été exclus. Est-il temps d'abandonner la supersymétrie? Peut-être, mais il pourrait y avoir un Je vous salue Marie: des particules à longue durée de vie.
Habituellement, au pays de la physique des particules, plus vous êtes massif, plus vous êtes instable et plus vous vous décomposerez rapidement en particules plus simples et plus légères. C'est juste comme ça. Étant donné que les particules partenaires devraient toutes être lourdes (sinon, nous les aurions déjà vues), nous nous attendions à ce qu'elles se désintègrent rapidement en douches d'autres choses que nous pourrions reconnaître, puis nous aurions construit nos détecteurs en conséquence.
Mais que faire si les particules partenaires ont une longue durée de vie? Et si, grâce à une bizarrerie de la physique exotique (donnez aux théoriciens quelques heures pour y réfléchir, et ils trouveront plus qu'assez de bizarreries pour y arriver), ces particules parviennent à s'échapper des confins de nos détecteurs avant de se décomposer consciencieusement en quelque chose de moins étrange? Dans ce scénario, nos recherches auraient été complètement vides, simplement parce que nous ne cherchions pas assez loin. De plus, nos détecteurs ne sont pas conçus pour pouvoir rechercher directement ces particules à longue durée de vie.
ATLAS à la rescousse
Dans un récent article publié en ligne le 8 février sur le serveur de préimpression arXiv, des membres de la collaboration ATLAS (raccourci quelque peu maladroit pour A Toroidal LHC ApparatuS) au Large Hadron Collider ont rapporté une enquête sur ces particules à longue durée de vie. Avec la configuration expérimentale actuelle, ils ne pouvaient pas rechercher toutes les particules à longue durée de vie possibles, mais ils étaient capables de rechercher des particules neutres avec des masses comprises entre 5 et 400 fois celle du proton.
L'équipe ATLAS a recherché les particules à longue durée de vie non pas au centre du détecteur, mais sur ses bords, ce qui aurait permis aux particules de se déplacer de quelques centimètres à quelques mètres. Cela peut ne pas sembler très loin en termes de normes humaines, mais pour les particules massives et fondamentales, cela pourrait aussi bien être le bord de l'univers connu.
Bien sûr, ce n'est pas la première recherche de particules à longue durée de vie, mais c'est la plus complète, en utilisant presque tout le poids de charges d'enregistrements expérimentaux au Large Hadron Collider.
Et le gros résultat: rien. Zéro. Rien. Nada.
Pas un seul signe de particules à longue durée de vie.
Est-ce à dire que cette idée est morte aussi? Pas tout à fait - ces instruments n'étaient pas vraiment conçus pour chasser ce genre de bêtes sauvages, et nous ne faisons qu'effleurer ce que nous avons. Il faudra peut-être une autre génération d'expériences spécialement conçues pour piéger des particules à longue durée de vie avant d'en attraper une.
Ou, plus déprimant, ils n'existent pas. Et cela signifierait que ces créatures - avec leurs partenaires supersymétriques - ne sont en réalité que des fantômes imaginés par des physiciens fiévreux, et ce dont nous avons réellement besoin est d'un tout nouveau cadre pour résoudre certains des problèmes en suspens de la physique moderne.
