Paul Sparks
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La théorie gouvernante de la physique des particules explique tout sur le monde subatomique… sauf les parties qui ne le font 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 énorme variété d'interactions et de processus.
Mais il a quelques lacunes flagrantes: il n'intègre pas la gravité; il ne peut pas expliquer les masses de diverses particules, dont certaines donnent de la 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.
Alors, on doit trouver quelque chose. Nous devons aller au-delà du modèle standard pour mieux comprendre notre univers.
Malheureusement, nombre des principaux prétendants à expliquer ce grand au-delà - appelés théories supersymétriques - ont été écartés ou sévèrement limités ces dernières années. Il existe toujours un concept 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 malheureusement, une recherche récente de ces particules étranges est revenue les mains vides. [Les 11 plus grandes questions sans réponse sur la matière sombre]
Symétrie pas si super
L'ensemble de théories de loin le plus tendance qui dépasse les limites du modèle standard actuel est regroupé dans une classe d'idées connue sous le nom de supersymétrie. Dans ces modèles, les deux principaux camps de particules dans la nature («bosons», tels que les photons familiers; et «fermions» - comme les électrons, les quarks et les neutrinos) ont en fait une sorte étrange de relation fraternelle. Chaque boson a un partenaire dans le monde des fermions et, de même, chaque fermion a un ami boson à appeler le sien.
Aucun de ces partenaires (ou de manière plus appropriée dans le jargon confus de la physique des particules - «superpartenaires») ne fait partie de la famille normale des particules connues. Au lieu de cela, ils sont généralement beaucoup, beaucoup plus lourds, plus étranges et généralement plus étranges..
Cette différence de masse entre les particules connues et leurs superpartenaires est le résultat de ce qu'on appelle la rupture de symétrie. Cela signifie qu'à des énergies élevées (comme à l'intérieur des accélérateurs de particules), les relations mathématiques entre les particules et leurs partenaires sont égales, conduisant à des masses égales. Aux basses énergies (comme les niveaux d'énergie que vous ressentez dans la vie normale et quotidienne), cependant, cette symétrie est brisée, faisant monter en flèche les masses de particules partenaires. Ce mécanisme est important, car il arrive aussi à expliquer pourquoi, par exemple, la gravité est tellement plus faible que les autres forces. Le calcul est juste un peu compliqué, mais la version courte est la suivante: quelque chose s'est cassé dans l'univers, faisant que les particules normales deviennent 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. [6 faits étranges sur la gravité]
Vivez longtemps et prospérez
Pour chasser la supersymétrie, un groupe de physiciens est intervenu et a construit le briseur 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.
En termes simples, nous ne pouvons trouver aucune particule partenaire. Zéro. Rien. Nada. Aucune trace de supersymétrie n'est apparue 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 vite vous vous décomposerez en particules plus simples et plus légères. C'est juste la façon dont les choses sont. Comme on s'attend à ce que les particules partenaires soient toutes lourdes (sinon, nous les aurions déjà vues), nous nous attendions à ce qu'elles se décomposent rapidement en pluies d'autres choses que nous pourrions reconnaître, puis nous aurions construit nos détecteurs en conséquence..
Mais que se passerait-il si les particules partenaires duraient longtemps? Et si, à travers une bizarrerie de physique exotique (donnez aux théoriciens quelques heures pour y réfléchir, et ils trouveraient plus qu'assez de bizarreries pour y arriver), ces particules réussissaient à échapper aux limites 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 vie longue.
ATLAS à la rescousse
Dans un article récent publié en ligne le 8 février sur le serveur de pré-impression 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 vie longue possible, mais ils étaient capables de rechercher des particules neutres avec des masses entre 5 et 400 fois celle du proton..
L'équipe ATLAS a recherché les particules à vie longue non pas au centre du détecteur, mais à 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 fondamentales massives, cela pourrait tout 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, utilisant presque tout le poids de charges d'enregistrements expérimentaux au Grand collisionneur de hadrons..
Et le gros résultat: rien. Zéro. Rien. Nada.
Pas un seul signe de particules à vie longue.
Cela signifie-t-il que l'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 que gratter avec 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 fébriles, et que nous avons réellement besoin d'un tout nouveau cadre pour résoudre certains des problèmes en suspens de la physique moderne..
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Publié à l'origine le .
Paul M. Sutter est astrophysicien à Université d'État de l'Ohio, hôte de Demandez à un Spaceman et Radio spatiale, et auteur de Votre place dans l'univers.