ATLAS: de la collision de photons aux axions

Publié par Redbran le 09/08/2020 à 13:00
Source: CEA IRFU
La collision élastique de photons réels est un phénomène très rare dans lequel deux photons réels interagissent, produisant une autre paire de photons réels. L'observation directe de ce processus à haute énergie, impossible pendant des décennies, a été réalisée par les expériences ATLAS [1] et CMS [2] au Cern entre 2016 et 2019. Ces succès ont conduit les deux collaborations à renforcer leur implication dans ce nouveau domaine, ce qui a conduit à une nouvelle mesure, en cours de publication par l'expérience ATLAS [3]. Présentée pour la première fois à la conférence LHCP en mai 2020, l'idée nouvelle est d'utiliser les collisions de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette...) pour rechercher une particule hypothétique de type axion (L’axion est une particule hypothétique, supposée stable, neutre et de très faible masse (1 meV-µeV). Elle est une conséquence de la solution de Peccei-Quinn (en) (1977) au problème de violation...). Comme pour les premières publications sur le sujet, les personnels de l'Irfu sont à l'origine des idées à l'oeuvre dans les analyses menées au Cern.

Des particules de lumière en collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.)

La collision élastique de photons réels est un phénomène très rare dans lequel deux photons réels interagissent, produisant une autre paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) de photons réels. L'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la...) directe de ce processus à haute énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) s'est révélée difficile pendant des décennies, jusqu'à ce qu'il soit observé par les expériences ATLAS et CMS au Cern entre 2016 et 2019 [1]. Rappelons que ce phénomène est prédit par le modèle standard de la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi parfois physique des hautes énergies...), c'est un processus de nature quantique. Ceci étant, en électromagnétisme (L'électromagnétisme est une branche de la physique qui fournit un cadre très général d'étude des phénomènes électriques et magnétiques dans leur synthèse du champ électromagnétique : le champ électromagnétique est produit par...) classique, si on ajoute aux équations de Maxwell (Les équations de Maxwell, aussi appelées équations de Maxwell-Lorentz, sont des lois fondamentales de la physique. Elles constituent les postulats de base de...) un vecteur densité de courant (On notant i le courant électrique dans une portion de conducteur, et soit un vecteur élément de surface d'une section droite de ce conducteur, on pose  :) proportionnel à une puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) du champ électrique (En physique, on désigne par champ électrique un champ créé par des particules électriquement chargées. Un tel champ permet de déterminer en tout point de l'espace la force...) présent dans le milieu, alors la collision de deux photons devient possible. C'est donc un effet dont l'origine théorique réside dans le caractère non linéaire des équations qui décrivent ce phénomène dans le modèle standard. Ce phénomène est une conséquence naturelle de la mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de décrire les phénomènes fondamentaux à l'œuvre...) dans le modèle standard, mais peut aussi être vu comme une extension de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) élémentaire dans le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du...) décrit plus haut.

Le résultat [1] ouvre un nouveau champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) d'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) à la frontière (Une frontière est une ligne imaginaire séparant deux territoires, en particulier deux États souverains. Le rôle que joue une frontière peut fortement varier suivant les régions et les...) entre la physique des ions lourds et l'électrodynamique quantique (L'électrodynamique quantique relativiste est une théorie physique ayant pour but de concilier l'électromagnétisme avec la mécanique quantique en utilisant un formalisme Lagrangien relativiste.). Aussi, le thème de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) a prospéré avec plus de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un...) accumulées et plus de personnels impliqués. Cet effort a conduit assez rapidement à une nouvelle mesure, qui est en cours de publication par l'expérience ATLAS [3]. Elle a été présentée pour la première fois à la conférence LHCP en mai 2020. Cette fois ci, l'idée nouvelle est d'utiliser les collisions de photons (induites lors des collisions d'ions lourds) pour rechercher une particule inconnue, qui se comporterait comme un champ scalaire (Un vrai scalaire est un nombre qui est indépendant du choix de la base choisie pour exprimer les vecteurs, par opposition à un pseudoscalaire, qui est un nombre qui peut dépendre de la base.) (donc un peu comme le champ du boson (Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés de symétrie particulières lors de l'échange de...) de Higgs-Brout-Englert) et que l'on appelle communément axion. Cette idée avait été exposée d'une manière plus générale dans un article précédant celui de l'expérience ATLAS et qui a servi de référence pour l'étude [4]. L'idée, encore une fois, trouve son expression la plus complète dans le modèle standard, mais elle peut être également comprise en physique élémentaire, comme on peut le comprendre avec l'exercice 2 du recueil cité (La cité (latin civitas) est un mot désignant, dans l’Antiquité avant la création des États, un groupe d’hommes...) plus haut. Finalement, c'est encore une fois avec une approche presque intuitive que l'on peut pratiquement tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) comprendre sur ce thème de recherche, identifier des idées les plus simples possibles et par conséquent proposer une nouvelle mesure.

Contexte expérimental des collisions photon-photon

Rappelons le contexte. Les collisions d'ions plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin plumbum.) (Pb) (avec une charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être...) +82) au grand collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.) de hadrons (LHC) au Cern fournissent l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme...) idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau. Les idéaux généralisent de façon féconde...) pour étudier la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit,...) photon-photon [1]. En effet, lorsque les ions Pb accélèrent pour atteindre une vitesse (On distingue :) proche de celle de la lumière, un énorme flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...)...) de photons est généré par ces ions ultra-relativistes chargés positivement. On peut dire de manière équivalente que cela produit un champ électrique extrêmement intense d'environ 1025 V/m dans l'environnement immédiat de chaque ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais, à partir de l'adjectif grec ἰόν (ion), se traduisant par « allant, qui va ».) Pb. On comprend pourquoi avec de telles valeurs de champ, l'électromagnétisme standard n'est pas applicable et des effets non linéaires doivent être inclus. Dès lors, lorsque deux ions Pb issus des faisceaux se propageant dans des directions opposées passent côte à côte, en restant à une distance faible mais non nulle l'un de l'autre, de l'ordre de 10 femto-mètres (fm), des photons accompagnant les ions Pb peuvent interagir. C'est comme cela que la collision élastique photon-photon est possible en pratique.

De plus, parce que les ions Pb ne perdent qu'une infime fraction de leur énergie dans ce processus, les ions sortants continuent leur chemin autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre...) de l'anneau du LHC. Cela conduit à une caractérisation claire des événements, avec deux photons observés dans le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été spécifiquement conçu.) central d'ATLAS et aucune autre activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) dans ce détecteur. En plus, les ions Pb sont observés presque intacts dans leurs lignes de faisceau à plusieurs dizaines de mètres du détecteur central. Si un événement est observé avec ces caractéristiques, on dit que c'est un événement candidat.

Les nouveaux résultats présentés récemment par la collaboration ATLAS portent sur l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout »,...) des données du LHC Run-2 sur les collisions d'ions lourds (Pb-Pb) [3]. Sur plus de cent milliards de collisions pour lesquelles les ions Pb restent à une distance de l'ordre de 10 fm, 97 événements candidats ont été identifiés tandis que 27 événements sont attendus des processus de bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une...). On montre sur la figure ci-dessous cette observation convertie en mesure de section efficace (Une section efficace est une grandeur physique correspondant à la probabilité d'interaction d'une particule pour une réaction donnée de la physique...) du processus de collision élastique de deux photons. En particulier, la figure de gauche montre le résultat en fonction de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse...) invariante des deux photons émis, exprimée en GeV/c2, donc en GeV avec les unités naturelles (Le Système international d'unités est établi en référence à la meilleure traçabilité des données dans le monde. Il est donc inadapté à chaque situation particulière....). C'est le meilleur résultat à l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il...) actuelle.


Section efficace différentielle de la collision élastique de deux photons dans les collisions Pb-Pb (avec une énergie de 5.02 TeV par paire de nucléons) en fonction de la masse invariante de la paire photon-photon et du cosinus de l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) de diffusion dans le centre de masse de la paire photon-photon. La courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les...) rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) correspond à la prédiction théorique (appelée SuperChic) qui inclut un calcul de la collision élastique de photons dans le modèle standard. On remarque qu'elle décrit à peu près les données mais c'est loin d'être parfait. Ce qui nous montre qu'il y a encore des éléments à améliorer théoriquement.

Les hypothétiques axions sous contrainte

Comme nous l'avons mentionné plus haut, la mesure de la section efficace de la collision élastique photon-photon est sensible aux processus au-delà du modèle standard. Ainsi, la présence ou non d'une particule scalaire de type axion peut modifier la section efficace de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) photon-photon standard [3], [4]. La nouvelle analyse de l'expérience ATLAS place des limites sur le taux de production de ces particules, les meilleures limites existantes à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons...) dans le domaine de mesure considéré. Pour faire mieux, il faudra reprendre des d'idées exposées dans [4] mais cela ne pourra pas être fait immédiatement.

Rappelons que les particules de type axion (simplement "axions" dans la suite) sont des particules hypothétiques sans spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge électrique. Comme la...) (donc scalaires) avec un nombre quantique (Un nombre quantique est, en mécanique quantique, un élément d'un jeu de nombres permettant de définir l'état quantique complet d'un système. Chaque nombre quantique définit la valeur d'une quantité conservée dans la dynamique d'un...) de parité impair et des interactions faibles avec les particules du modèle standard. En particulier, ces particules sont des bons candidats pour faire partie de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état...) dite noire en astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des...). Le nouveau résultat discuté ici repose sur l'idée que si les paires de photons en interaction produisent des axions, cela pourrait se produire via les réactions successives suivantes: photon-photon→ axion → photon-photon. C'est pourquoi il y aurait alors un excès d'événements pour une masse de la paire photon-photon observée égale à la masse de l'axion, ce que l'on appelle une résonance (Lorsqu'on abandonne un système stable préalablement écarté de sa position d'équilibre, il y retourne, généralement à travers des oscillations propres. Celles-ci se produisent à la fréquence propre...). Les résultats sont présentés sur la figure ci-dessous. Cette figure présente des zones d'exclusion pour l'intensité du couplage axion-photon-photon (1/Λ) en fonction de la masse de l'axion. Les couplages qui restent possibles après cette étude (dans les limites statistiques (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation de données ainsi que la présentation de ces...) de ce genre d'analyse) ont une valeur située en-dessous les zones colorées.

Notons que seul un possible effet de résonance avec un grand facteur de qualité permet de mettre en évidence d'hypothétiques axions. C'était toute la difficulté de la tâche: on sait comment faire pour utiliser les faisceaux d'ions Pb comme des sources de lasers pulsées, mais il faut identifier dans le processus de collision de photons au sein de l'expérience ATLAS l'équivalent d'une cavité de grand facteur de qualité. C'est ce que nous avons produit ici.


Compilation des limites d'exclusion pour le couplage axion-photon-photon en fonction de la masse de l'axion. L'exclusion de l'analyse de l'expérience ATLAS correspond à la zone en mauve.

Un futur prospère pour les collisions de photons

En conclusion, on comprend que des phénomènes aussi ténus sont amenés à être examinés à nouveau avec des analyses plus fines ou de nouvelles idées. En particulier, dans [4] nous avons introduit de nombreuses idées qui restent encore à explorer. Par exemple, il y a un intérêt important à étudier des collisions avec des ions oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) ou argon (L’argon est un élément chimique, de symbole Ar et de numéro atomique 18.) et même à considérer les collisions non symétriques d'un ion lourd avec un proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) et de mener le même genre d'étude expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan...) que celle décrite ici. Il y a donc tout un programme qui reste en suspens pour le Run-3 du LHC.

Notes:

[1] [i]Fait marquant précédent

http://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast.php (PHP (sigle de PHP: Hypertext Preprocessor), est un langage de scripts libre principalement utilisé pour produire des pages Web dynamiques via un serveur HTTP, mais pouvant également fonctionner comme n'importe...)?t=fait_marquant&id_ast=4151

[2] Evidence for light-by-light scattering and searches for axion-like particles in ultraperipheral PbPb collisions at √SNN = 5.02 TeV
https://arxiv.org/abs/1810.04602

[3] Measurement of light-by-light scattering and search for axion-like particles with 2.2/nb of Pb+Pb data with the ATLAS detector, ATLAS-CONF-2020-010
https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/CONFNOTES/ATLAS-CONF-2020-010/

[4] Extending the constraint for axion-like particles as resonances at the LHC and laser beam experiments, S. Hassani, L. Schoeffel et al., Phys. Lett. B 795 (2019) 339-345.
https://inspirehep.net/literature/1724460[/i]

Contact: Laurent Schoeffel
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