A la recherche de forces sombres à l’aide de phasers

This post is a French adaptation of this earlier post of mine, where I discuss searches for new interactions with phasers… Okay, not the Star Trek ones, but to understand how, please see the post.

Now, time for writing in French :)

Les physiciens recherchent activement des signes de forces dites sombres. Par exemple, le LHC au CERN sert en partie à cela. Mais le LHC pourrait ne pas être suffisant.

Les phénomènes liées à ces forces sombres sont en fait peut-être tellement sombres (oui je sais, la tournure de phrase est sans doute un peu moyenne) qu’ils parviennent à échapper à la détection alors qu’ils sont bien réels.

Cette possibilité est considérée très sérieusement, et des propositions d’expériences nouvelles voient régulièrement le jour afin de palier à ce petit souci.

Parmi toutes ces propositions, je vais vous parler de l’un d’entre elles où il est proposé d’utiliser un Faser, ce qui est bien sûr différent d’un phaser comme dans Star Trek.

Ce Faser serait ainsi conçu pour être sensible à de nouvelles particules très légères et/ou interagissant très faiblement avec le monde connu. Ces particules pourraient même véhiculer les forces sombres…

Et tout comme son homologue startrékien, notre faser servira ainsi à explorer des mondes nouveaux : celui des forces sombres!

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DES MONDES MICROSCOPIQUES CACHES

Mais avant toute chose, parlons de forces sombres.

De nombreuses théories tentent de résoudre les problèmes du Modèle Standard de la physique des particules en le généralisant.

Il se trouve qu’une bonne partie de ces théories incluent ce qu’on appelle un secteur sombre qui sera en général connecté à la matière noire. Après tout, sombre et noir, c’est du pareil au même.

La définition d’un secteur sombre est en fait assez simple. Le Modèle Standard de la physique des particules décrit la dynamique des particules élémentaires et la façon dont elles interagissent les unes avec les autres.

Mais on pourrait concevoir qu’en parallèle à ces particules que nous connaissons bien, nous avons tout un tas de particules cachées que nous n’avons pas observées jusqu’à présent.

Finalement, noir, sombre et caché c’est encore du pareil au même.

Et la raison est que ces particules n’interagissent pas via les interactions connues, mais via leur propre jeu d’interactions fondamentales.

Ces interactions sont de façon générique appelée des forces sombres… Star Wars est dans la place…

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L’ELECTROMAGNETISME SOMBRE

L’exemple le plus simple de forces sombres est ce qu’on appelle l’électromagnétisme sombre. De façon tout à fait non originale, il s’agit d’une copie de notre bon vieil électromagnétisme, connu depuis plus de 100 ans, mais dans le secteur sombre.

Pour construire cette théorie, au final, il n’y a pas grand chose à faire. Juste un petit coup de copier-coller…

On remplace tous nos objets usuels par des objets sombres. Nous aurons ainsi des particules sombres qui portent une charge électrique sombre et qui interagiront via l’échange de photons sombres.

Voilà! C’est tout bon.

Une petite différence cependant : les photons sombres sont massifs (mais légers), au contraire de notre photon usuel qui est de masse nulle.

Mais comment détecter ces photons sombres? En plus, s’ils sont cachés, c’est que l’on ne devrait pas pouvoir les observer.

C’est assez vrai, à une subtilité près. Les photons sombres vont se mélanger aux photons normaux de sorte qu’un photon sombre aura une toute petite composante normale, et un photon normal aura une toute petite composante sombre.

C’est ce mélange qui va faire qu’un photon sombre peut être non seulement produit, mais aussi observé.

Le photon sombre sera vraiment sombre pendant un bon moment. C’est-à-dire qu’il va voyager de façon cachée pendant des centaines et des centaines de mètres, avant que la composante photon visible ne prenne le dessus et implique la désintégration du photon sombre.

Pour le LHC, cela veut juste dire qu’un photon sombre peut être produit (via sa composante photon visible encore une fois), mais va ensuite se propager tranquillement avant que quoi que ce soit ne se passe… Les détecteurs sont beaucoup trop petits par rapport aux distances en jeu.

Du coup, pour détecter un photon sombre, il nous faudrait placer un détecteur à plusieurs centaines de mètres de là où les collisions se passent.

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UN FASER POUR TRAQUER LES FORCES (ET PHOTONS) SOMBRES

Faser est une proposition d’un tel détecteur, à installer loin de là où les collisions se passent au LHC. On parle ici d’un endroit situé à par exemple 150m de soit ATLAS, soit CMS.

Le nom Faser vient d’un acronyme qui veut dire ForwArd Search ExpeRiments. On aime les acronyme en science :p

Le principe de Faser est illustré dans la figure ci-dessous.

_{[image credits: arXiv:1708.09389]}

Sur cette figure, IP (l’étoile) est le point de collision, c’est-à-dire soit ATLAS soit CMS. Grâce à toute une série d’aimants (D1, Q1, Q2, Q3), les particules chargées sont évacuées. Il ne reste plus que les particules neutres après l’aimant D1.

140 mètres plus loin, un absorbant standard (le rectangle gris foncé devant le rectangle rouge) permet de se débarrasser de particules comme des neutrons, de sorte que seuls des photons sombres peuvent passer, tout comme n’importe quel médiateur de forces sombres d’ailleurs.

Au niveau de notre détecteur (le rectangle rouge), on est ainsi sûr que si une désintégration se passe, on a bien affaire à un photon sombre :)

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RESUME ET REFERENCES

De nombreux phénomènes au-delà du Modèle Standard sont traqués au CERN. Cependant, les secteurs cachés peuvent échapper à la détection, en raison qu’ils sont liés à des particules invisibles qui ne se désintègrent qu’après un temps relativement long. Un exemple consiste en les photons sombres.

L’expérience Faser a été proposée pour traquer ces particules de façon dédiée. Cela revient à ajouter un petit détecteur au LHC, loin de toute collision, pour être là pile au moment où ces particules sombres pourraient se désintégrer.

Très important: un Faser n’est pas un phaser! Plus d’informations sur FASER peuvent être obtenues dans cet article scientifique. Concernant l’électromagnétisme sombre, je propose de regarder cet article.

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