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CERN : des scientifiques recherchent de mystérieuses particules fantômes

CERN : des scientifiques recherchent de mystérieuses particules fantômes

  • Écrit par Pallab Ghosh
  • Journaliste scientifique

Source des images, Victor de Schwanberg/Bibliothèque d'images scientifiques

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Illustration : les particules fantômes sont actuellement indétectables

Certains physiciens soupçonnent depuis longtemps que de mystérieuses particules « fantomatiques » présentes dans le monde qui nous entoure pourraient grandement améliorer notre compréhension de la véritable nature de l’univers.

Les scientifiques pensent désormais avoir trouvé un moyen de prouver son existence ou non.

Le Centre européen de recherche sur les particules, le CERN, a approuvé une expérience conçue pour en trouver des preuves.

Le nouvel instrument sera mille fois plus sensible à ces particules que les appareils précédents.

Il écrasera les particules sur une surface solide pour les détecter plutôt que de les détecter les unes contre les autres comme l'instrument principal du CERN, le Grand collisionneur de hadrons (LHC).

Alors, que sont ces particules fantômes et pourquoi une nouvelle approche était-elle nécessaire pour les détecter ?

La théorie actuelle de la physique des particules est appelée le modèle standard.

Cette théorie affirme que tout dans l’univers est constitué d’une famille de 17 particules – des particules bien connues telles que l’électron et le boson de Higgs – plus le quark charme moins connu mais merveilleusement nommé, le neutrino tau et le gluon.

Certaines sont mélangées dans diverses combinaisons pour former les particules plus grosses, mais néanmoins incroyablement petites, qui composent le monde qui nous entoure, ainsi que les étoiles et les galaxies que nous voyons dans l’espace, tandis que d’autres sont impliquées dans les forces de la nature.

Mais il y a un problème : les astronomes ont observé des choses dans le ciel – la façon dont les galaxies se déplacent, par exemple – qui suggèrent fortement que tout ce que nous pouvons observer ne représente qu'environ cinq pour cent de l'univers.

Certaines, voire la totalité du reste de l'univers, pourraient être composées de particules « furtives » ou « cachées ». On pense qu’elles sont les homologues fantomatiques des 17 particules du modèle standard.

S’ils existent, ils sont très difficiles à détecter car ils interagissent rarement avec le monde tel que nous le connaissons. Comme les fantômes, ils traversent directement tout et ne peuvent être détectés par aucun appareil terrestre.

Mais la théorie est que les particules fantômes peuvent se désintégrer en particules de modèle standard et peuvent être détectées par des détecteurs.

Au lieu de faire entrer en collision des particules, comme le font la plupart des expériences actuelles, SHIP les fera entrer en collision pour former un gros amas de matière. Cela signifie que toutes les molécules sont décomposées en parties plus petites plutôt que toutes ensemble. Le tableau ci-dessous montre pourquoi cette approche « à objectifs fixes » est plus efficace.

Le professeur Andrei Golotvin, directeur du projet, de l'Imperial College de Londres, a déclaré que l'expérience « représente une nouvelle ère dans la recherche de particules cachées ».

« SHIP a le potentiel unique de résoudre de nombreux problèmes clés en physique des particules, et nous avons le potentiel de découvrir des particules qui n'ont jamais été vues auparavant », a-t-il déclaré.

La recherche de particules fantômes nécessite un équipement spécialement adapté.

Grâce à des expériences ordinaires, utilisant par exemple le Large Hadron Collider, de nouvelles particules peuvent être détectées jusqu'à un mètre de distance de l'impact. Mais les particules fantômes peuvent rester invisibles et parcourir des dizaines, voire des centaines de mètres avant de se désintégrer et de se révéler. Les détecteurs du SHIP ont donc été placés beaucoup plus loin.

« Nous sommes des explorateurs »

Le professeur Mitesh Patel de l'Imperial College a qualifié la nouvelle approche de « génie ».

« Ce qui m'attire vraiment dans l'expérience, c'est que ces particules sont juste sous notre nez, mais nous n'avons jamais pu les voir à cause de la façon dont elles interagissent, ou plutôt de la façon dont elles n'interagissent pas.

« Nous sommes des explorateurs et nous pensons pouvoir voir quelque chose d'intéressant sur ce nouveau terrain. Nous devons donc y jeter un œil. »

SHIP sera construit dans les installations existantes du CERN, selon le Dr Claudia Ahdeda, physicienne au CERN.

« Nous utiliserons la grotte existante, les infrastructures et les parties que nous essaierons de réutiliser autant que possible, et ce que nous aurons, c'est une installation qui nous aidera à rechercher ce secteur caché, qui n'a jamais été vu auparavant », dit-elle.

SHIP fonctionnera aux côtés de toutes les autres expériences du CERN, dont la plus grande est le Grand collisionneur de hadrons, qui recherche les 95 % manquants de l'univers depuis son achèvement en 2008 pour un coût de 3,75 milliards de livres sterling. Jusqu'à présent, aucune particule autre que le modèle standard n'a été trouvée, le plan est donc de construire une machine trois fois plus grande et plus puissante.

Le futur collisionneur annulaire coûtera 12 milliards de livres sterling. La date de démarrage prévue se situe vers le milieu des années 2040, même si le nouveau potentiel de capture de particules n’atteindra pas son plein potentiel avant 2070.

En revanche, l’essai SHIP devrait commencer à rechercher de nouvelles molécules en 2030 et coûtera environ cent fois moins cher, soit environ 100 millions de livres sterling. Mais les chercheurs affirment que toutes les approches sont nécessaires pour explorer toutes les options possibles afin de trouver les particules qui, selon eux, mèneront à l'une des plus grandes découvertes jamais réalisées en physique.

Pallabh Ghosh et Kate Stevens visitent le plus grand accélérateur de particules au monde pour découvrir pourquoi les scientifiques veulent un accélérateur encore plus gros.

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