Matière noire et LHC: de la collision de photons aux axions

Publié par Adrien le 25/09/2020 à 09:00
Source: CEA

(c) Cern/Atlas
Après leur première observation directe de la diffusion élastique de photons en 2017, les collaborations CMS et Atlas du LHC au Cern, auxquelles participe le CEA-Irfu, ont accumulé assez de données sur cet événement très rare pour en extraire des informations sur une particule qui pourrait constituer 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 gazeux. La...) "noire": l'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 de la...).

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.), 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...) prévoit que deux photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux...) puissent interagir de manière quantique et produire deux autres photons.

Or lorsque les noyaux atomiques de 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.) sont accélérés jusqu'à une vitesse (On distingue :) proche de celle de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs...) comme au LHC (Large Hadron (Un hadron est un composé de particules subatomiques régi par l'interaction forte. Dans le Modèle Standard de la Physique des particules, ces particules sont...) Collider), ils produisent un énorme flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est...) de photons équivalent à un champ électrique (En physique, on désigne par champ électrique un champ créé par des particules électriquement chargées. Un tel champ permet de...) d'environ 1025 V/m dans leur voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la continuité qui s'entend ici comme la...) immédiat. Si deux de ces noyaux se croisent à environ dix femtomètres (1 fm = 10-15 m) l'un de l'autre, les photons émis par ces noyaux respectifs peuvent interagir deux à deux. La signature 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 culturel et politique. En science, il s'agit d'approches de recherche basées sur...) d'un tel phénomène est alors très simple: les ions de plomb poursuivent leur trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) et seuls, deux photons sont détectés, au lieu de gerbes de particules créées en cascades.

Entre 2016 et 2019, les physiciens d'Atlas et CMS ont recensé 97 candidats événements sur plus de cent milliards de croisements d'ions de plomb à 10 fm. Sur ces 97, seulement 27 sont attribués à des bruits de fond. C'est le meilleur résultat produit aujourd'hui.

La qualité des 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 événement, etc.) recueillies permet aux chercheurs d'en extraire des informations sur une particule hypothétique de matière "noire", l'axion, interagissant faiblement avec la matière ordinaire. En effet, la 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 en 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.) pourrait produire un axion, qui, à son tour, produirait une autre paire de photons. Les scientifiques s'attendent à un excès d'événements pour une énergie de la paire de photons correspondant à la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution...) de l'axion, si cette particule existe. Leurs résultats expérimentaux permettent de resserrer le domaine - couplage avec les photons et masse - compatible avec l'existence de cet axion.

D'autres expériences, notamment des collisions d'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.) ou des collisions asymétriques entre un 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 ».) lourd et un proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) - sont désormais envisagées dans le LHC à haute luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.) pour aller plus loin dans cette exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.).

Références:

Evidence for light-by-light scattering and searches for axion-like particles in ultraperipheral PbPb collisions at √SNN = 5.02 TeV

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

Extending the constraint for axion-like particles as resonances at the LHC and laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le...) beam experiments, Phys. Lett. B
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