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La particule élémentaire la plus lourde est-elle la clé pour mieux comprendre notre Univers ?

Publié le 12 avril 2017 Mis à jour le 23 octobre 2017
La minute recherche
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le 12 avril 2017

Un texte de La Minute Recherche par David Calvet (LPC). De quoi sommes-nous faits ? Cette question qui a toujours suscité un grand intérêt chez l’Homme tout au long de son histoire est l'objet de la physique des particules élémentaires.

Son but est d’identifier les blocs élémentaires de la matière (c’est-à-dire qui n’ont pas de structure interne) et d’en étudier les propriétés. Au fil des expériences, les physiciens ont élaboré et validé une description très précise de la matière à l’échelle subatomique, appelée Modèle Standard. Malgré le couronnement de ce modèle par la découverte du boson de Higgs en 2012, certains faits montrent qu’il existe encore des aspects de la Nature qui échappent à notre compréhension actuelle.

Pour aller plus loin, les physiciens étudient des collisions de particules à des énergies toujours plus hautes, comme celles effectuées au Large Hardon Collider(LHC), situé au CERN. L'expérience ATLAS, sur laquelle les résultats présentés ici sont basés, utilise l'un des quatre détecteurs du LHC permettant de « photographier » les collisions. L'équipe ATLAS du Laboratoire de Physique Corpusculaire (LPC) oriente ses recherches sur la particule élémentaire la plus lourde parmi les douze connues à ce jour : le quark top. Pourquoi s'intéresser à cette particule ? Il est naturel de penser que le quark top n’est peut-être pas élémentaire, cette particule étant tout de même la plus massive ! De plus, les expériences passées ont montré à de nombreuses reprises qu'une particule perçue comme élémentaire à un moment pouvait en fait cacher une sous-structure, comme ce fut le cas pour l’atome ou le noyau atomique. Une autre raison pour étudier le quark top est qu'il serait sensible à l'existence de dimensions supplémentaires d'espace (c’est-à-dire en plus des trois dimensions connues). Cette idée semble sortir tout droit d'une bande dessinée de science-fiction mais reste bel et bien possible compte tenu de l'état actuel des connaissances, et apporte par ailleurs des éléments de réponses à certains problèmes du Modèle Standard comme celui de la matière noire (constituant 85 % de notre Univers et pourtant de nature encore inconnue).

Le groupe ATLAS du LPC a contribué à l'analyse de collisions particulières faisant intervenir le quark top, afin de sonder par l'expérience une sous-structure possible pour cette particule ou encore l'existence de dimensions supplémentaires. Les collisions sont d'abord identifiées grâce au nombre de quarks top produits, puis elles sont étudiées en détail afin de mettre en évidence des propriétés observables modifiées par une sous-structure ou des dimensions supplémentaires. La mesure de ces propriétés a alors permis à l'équipe de contraindre la réalisation de ces idées dans la Nature. En effet, une dimension supplémentaire peut exister à condition qu’elle soit assez petite pour échapper à nos observations. Une des avancées notables de cette étude est alors de pouvoir déceler des dimensions supplémentaires 40 % plus petites qu’auparavant, et contraindre ainsi un peu plus la taille de ces dimensions d’espace – si celles-ci existent.

ATLAS-CONF-2016-032 (16/06/2016) : Search for new phenomena using events with b-jets and a pair of same-charge leptons in 3.2 fb-1 of pp collisions at 13 TeV with the ATLAS detector.
ATLAS-CONF-2016-014 (21/03/2016) : Search for heavy particles decaying to pairs of highly-boosted top quarks using lepton-plus-jets events in proton-proton collisions at 13 TeV with the ATLAS detector".