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LHCb accélère la recherche de photons noirs

La recherche de particules subatomiques est un processus complexe. Il peut falloir des centaines, voire des milliers, de scientifiques et d’ingénieurs pour construire une expérience, la maintenir opérationnelle et analyser les énormes quantités de données qu’elle collecte. Cela signifie que les physiciens sont toujours à la recherche de moyens d’en faire plus gratuitement : extraire autant de physique que possible avec les machines qui existent déjà. Et c’est exactement ce qu’une poignée de physiciens ont entrepris de faire avec l’expérience LHCb au CERN.

Le détecteur LHCb a été conçu à l’origine pour étudier une particule connue sous le nom de quark beauté. “Mais au fil du temps, les gens ont compris à quel point nous pouvions faire plus avec le détecteur”, déclare Daniel Johnson, un collaborateur de LHCb basé au MIT.

Johnson, avec une équipe d’environ 10 chercheurs du MIT, de l’Université de Cincinnati et du CERN, dirigent la recherche de LHCb sur la matière noire, un type de matière hypothétique qui, jusqu’à présent, a échappé à la détection.

“La matière noire forme cette grande fraction de matière dans l’univers”, explique Johnson, qui a remporté une bourse Ernest Rutherford en début de carrière par le biais de l’Université de Birmingham, où il déménagera en mars prochain, pour aider à diriger la recherche. “Cela doit être là à cause de la façon dont les galaxies dansent, mais nous n’avons tout simplement pas de particule pour l’expliquer.”

Pendant des décennies, les scientifiques ont concentré leurs efforts sur la construction d’expériences de plus en plus grandes avec une sensibilité améliorée pour observer une particule de matière noire interagissant avec le détecteur lui-même. Ces expériences sont souvent cachées profondément sous terre pour minimiser d’autres types d’interactions plus fréquentes qui peuvent masquer les signaux potentiels de la matière noire.

Mais ces recherches de détection directe n’ont encore rien trouvé. “Et cela ne veut pas dire qu’ils sont un échec”, dit Johnson. “Ils ont extrêmement bien réussi jusqu’à présent à nous dire ce que la matière noire n’est pas.”

Cela veut dire, cependant, que les physiciens devront peut-être adopter des explications plus créatives quant à ce que pourrait être la particule insaisissable. Une idée qui gagne en popularité est que la matière noire pourrait ne pas du tout interagir directement avec la matière ordinaire. Au lieu de cela, il pourrait faire partie d’un secteur sombre de particules et de forces qui existent complètement distinctes, mais parallèles à celles qui composent le monde que nous vivons chaque jour.

Les physiciens espèrent pouvoir accéder à ce secteur sombre par ce qu’on appelle un portail, un processus hypothétique rare qui établit une connexion entre les particules ordinaires et les particules dites sombres. L’équipe LHCb s’intéresse particulièrement aux interactions portailes qui convertissent un photon noir en un photon régulier, qui se désintégrera ensuite en particules chargées détectables.

Les efforts passés ont exclu l’existence de photons noirs avec certaines propriétés, mais la conception de LHCb le place dans une position idéale pour explorer les photons noirs avec des masses et des durées de vie auxquelles d’autres expériences, jusqu’à présent, n’ont pas été sensibles. Mieux encore, l’observation de ces photons ne nécessite aucune mise à niveau de LHCb lui-même, explique Kate Richardson, étudiante diplômée du MIT, qui travaille en étroite collaboration avec Johnson sur la recherche de photons noirs.

Cela ne veut pas dire que les scientifiques n’ont pas apporté d’améliorations à l’expérience. Richardson, en particulier, a été impliqué dans la mise à jour du déclencheur logiciel du LHCb, un algorithme qui prend une décision rapide sur le stockage ou l’élimination de toute activité de particules se produisant à l’intérieur du détecteur. « Nous ne pouvons pas garder tout ce qui se passe », dit-elle.

Bien que le stockage de données de l’expérience rivalise avec la taille des serveurs Netflix, il ne contient qu’une petite fraction des données générées, explique Richardson. “Nous écrivons donc du code dans le déclencheur pour vérifier si les particules correspondent à certaines exigences, comme si elles venaient du même endroit et avaient un certain élan, et gardons ces interactions pour les analyser plus tard.”

Auparavant, l’équipe utilisait l’ensemble de données de LHCb pour mener une recherche préliminaire de photons noirs qui recherchait des photons réguliers se désintégrant en paires muon-antimuon. La mise à niveau du déclencheur logiciel leur ouvre la voie à la recherche d’un type d’interaction supplémentaire : des photons réguliers qui se désintègrent en paires électron-antiélectron, qui pourraient provenir de photons sombres avec des masses beaucoup plus légères. Cette nouvelle recherche, qui se déroulera parallèlement aux analyses physiques primaires de l’expérience, en sera au stade de la prise de données jusqu’à la fin de 2025.

Dans le cas où un signal de photon noir serait trouvé, d’autres études – à la fois avec LHCb et d’autres détecteurs – devraient confirmer le résultat, puisque la recherche est la première du genre à étudier les photons noirs aux masses et aux durées de vie que LHCb est sensible à. Dans les exécutions ultérieures, dit Richardson, le déclencheur logiciel pourrait être reprogrammé pour se concentrer sur une signature d’interaction plus spécifique, en fonction des valeurs de masse et de durée de vie qui semblent prometteuses après une analyse utilisant les nouvelles données.

Johnson et Richardson sont tous deux enthousiasmés par les informations que leurs futurs résultats ajouteront à la quête de 89 ans pour comprendre la nature de la matière noire. « Quelqu’un va le trouver. Pourquoi ne peut-il pas s’agir de LHCb ? dit Johnson.

Quand il sera trouvé, il va bouleverser la physique telle que nous la connaissons, dit-il. « Ce serait l’une des plus grandes découvertes de ces cent dernières années. Cela changerait complètement notre façon de voir notre univers.

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