Des physiciens théoriciens de l’Université du Minnesota ont proposé une nouvelle méthode pour détecter les axions, des particules hypothétiques qui pourraient résoudre le « problème du CP fort » en physique. La stratégie consiste à suivre la désintégration des axions en deux muons, ce qui ouvre de nouvelles possibilités dans les expériences de collisionneurs de particules.
Des physiciens théoriciens contribuent à étendre la recherche de nouvelles particules – les « axions » – qui pourraient aider à répondre à l’une des questions les plus déroutantes de la physique.
L’un des mystères les plus médiatisés de la physique actuelle est ce que les scientifiques appellent le « problème de la PC forte ». Ce problème découle du fait que les neutrons n’interagissent pas avec les champs électriques bien qu’ils soient constitués de quarks – des particules fondamentales plus petites qui portent des charges électriques – et remet en question le modèle standard de la physique, c’est-à-dire l’ensemble des théories sur lesquelles les scientifiques s’appuient depuis des années pour expliquer les lois de la nature.
Une équipe dirigée par des physiciens théoriciens de l’université du Minnesota Twin Cities a découvert une nouvelle façon de rechercher des axions, des particules hypothétiques qui pourraient contribuer à résoudre ce mystère. Travaillant en collaboration avec des chercheurs expérimentaux du Fermilab National Accelerator Laboratory, la nouvelle stratégie des physiciens ouvre des possibilités jusqu’alors inexplorées de détecter des axions dans des expériences de collision de particules.
L’article des chercheurs est publié et fait l’objet d’une suggestion de l’éditeur dans Physical Review Letters, une revue scientifique à comité de lecture publiée par l’American Physical Society.
La nouvelle méthode des chercheurs de l’université du Minnesota pour rechercher l’axion hypothétique consiste à mesurer la « désintégration » de la particule en deux muons, des particules connues qui sont essentiellement la version plus lourde de l’électron, comme l’illustre l’image ci-dessus. Crédit : Raymond Co, Université du Minnesota
« En tant que physiciens des particules, nous essayons de comprendre au mieux la nature », explique Zhen Liu, coauteur de l’article et professeur adjoint à l’école de physique et d’astronomie de l’université du Minnesota. « Au cours du siècle dernier, les scientifiques ont réussi à trouver des particules élémentaires grâce à des cadres théoriques bien établis. La raison pour laquelle les neutrons ne se couplent pas aux champs électriques est donc extrêmement surprenante, car dans notre théorie connue, nous nous attendrions à ce qu’ils le fassent. Si nous découvrons l’axion, ce sera une grande avancée dans notre compréhension fondamentale de la structure de la nature.
L’un des principaux moyens d’étudier les particules subatomiques, et éventuellement d’en découvrir de nouvelles, est l’expérience du collisionneur. Essentiellement, les scientifiques forcent des faisceaux de particules à entrer en collision et, lorsqu’ils s’entrechoquent, l’énergie qu’ils produisent crée d’autres particules qui passent à travers un détecteur, ce qui permet aux chercheurs d’analyser leurs propriétés.
La méthode proposée par Liu et son équipe consiste à mesurer le produit de la « désintégration » – c’est-à-dire ce qui se passe lorsqu’une particule lourde instable se transforme en plusieurs particules plus légères – de l’axion hypothétique en deux muons, des particules connues qui sont essentiellement la version plus lourde de l’électron. En travaillant à rebours à partir des traces de muons dans le détecteur pour reconstruire ces désintégrations, les chercheurs pensent avoir une chance de localiser l’axion et de prouver son existence.
« Avec cette recherche, nous élargissons les moyens de rechercher la particule de l’axion », a déclaré Raymond Co, co-auteur de l’article et chercheur postdoctoral à l’école de physique et d’astronomie de l’université du Minnesota et à l’institut de physique théorique William Fine. « On n’avait jamais utilisé la désintégration de l’axion en muons pour rechercher la particule de l’axion dans les expériences sur les neutrinos ou les collisionneurs. Cette recherche ouvre de nouvelles possibilités qui ouvrent la voie à de futurs projets dans notre domaine. »
Liu et Co, ainsi que Kun-Feng Lyu, chercheur postdoctoral en physique et astronomie à l’université du Minnesota, et Soubhik Kumar, chercheur postdoctoral à l’université de Californie à Berkeley, sont à l’origine de la partie théorique de la recherche. Ils font partie de la collaboration ArgoNeuT, qui réunit des théoriciens et des expérimentateurs de tout le pays pour étudier les particules dans le cadre d’expériences menées au Fermilab.
Dans cet article, l’équipe théorique dirigée par l’université du Minnesota a collaboré avec les chercheurs expérimentaux pour rechercher les axions à l’aide de leur nouvelle méthode et des données existantes de l’expérience ArgoNeuT. Les chercheurs prévoient d’utiliser les résultats expérimentaux pour affiner leurs calculs théoriques du taux de production d’axions à l’avenir.
Référence : « First Constraints on Heavy QCD Axions with a Liquid Argon Time Projection Chamber Using the ArgoNeuT Experiment » par R. Acciarri, C. Adams, B. Baller, V. Basque, F. Cavanna, R. T. Co, R. S. Fitzpatrick, B. Fleming, P. Green, R. Harnik, K. J. Kelly, S. Kumar, K. Lang, I. Lepetic, Z. Liu, X. Luo, K. F. Lyu, O. Palamara, G. Scanavini, M. Soderberg, J. Spitz, A. M. Szelc, W. Wu et T. Yang (The ArgoNeuT Collaboration), 31 mai 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.221802
Cette recherche a été financée par l’Office of Science du ministère américain de l’énergie, la National Science Foundation, le Science and Technology Facilities Council du ministère britannique de la recherche et de l’innovation et la Royal Society du Royaume-Uni.
Outre Liu, Co, Lyu et Kumar, l’équipe de cet article comprenait les chercheurs Roberto Acciarri, Bruce Baller, Vincent Basque, Flavio Cavanna, Roni Harnik, Ornella Palamara, Wanwei Wu et Tingjun Yang (Fermi National Accelerator Laboratory) ; Corey Adams (Argonne National Laboratory) ; Rory Fitzpatrick et Joshua Spitz (University of Michigan) ; Bonnie Fleming et Giacomo Scanavini (Université de Yale) ; Patrick Green (Université de Manchester, Université d’Oxford) ; Kevin Kelly (Organisation européenne pour la recherche nucléaire ou CERN) ; Karol Lang (Université du Texas à Austin) ; Ivan Lepetic (Université Rutgers) ; Xiao Luo (Université de Californie, Santa Barbara) ; Mitchell Soderberg (Université de Syracuse) ; et Andrzej Szelc (Université d’Édimbourg).