Particules fantômes : la chasse aux particules à longue durée de vie dans ATLAS express
Un caillou tombe dans un étang, et des cercles se propagent à la surface. Mais parfois, le caillou ne coule pas immédiatement : il glisse sous la surface, parcourt quelques mètres, puis remonte, créant des cercles à un endroit inattendu. C'est ainsi que les physiciens recherchent les particules à longue durée de vie : elles naissent dans les collisions de protons, traversent le détecteur sans être détectées, puis se désintègrent en particules ordinaires loin de leur point de création.
Dans l'expérience ATLAS au Grand collisionneur de hadrons, on a justement traqué ces « cercles tardifs » — des désintégrations en paires de leptons chargés (électrons ou muons) loin du point de collision des protons. Pour cela, on a passé au crible les données collectées sur quatre années de fonctionnement du collisionneur à une énergie de 13 TeV. On cherchait des événements où deux particules chargées émergent d'un même point, éloigné de l'axe du faisceau. Un tel point — le « vertex » — trahit justement la désintégration d'une particule à longue durée de vie.
Les scientifiques ont testé plusieurs scénarios théoriques. Dans l'un d'eux, une nouvelle particule lourde se désintègre en une paire de particules légères à longue durée de vie, qui produisent ensuite des paires de leptons. Dans d'autres, il s'agit de variantes de la supersymétrie, où le neutralino (le partenaire hypothétique du photon ou du boson de Higgs) vit assez longtemps pour s'éloigner de son point de création et se désintègre en leptons et en neutrinos. Les masses de ces particules dans les modèles variaient de 100 GeV à 2,2 TeV, et la « longueur de parcours » — du millimètre à dix mètres.
L'absence de signal a permis d'établir de nouvelles limites supérieures sur la probabilité de création de telles particules. Pour plusieurs modèles, ces limites sont devenues les plus strictes au monde, et une partie de la gamme de masses et de durées de vie a même été soumise pour la première fois à une contrainte expérimentale directe. Désormais, les théoriciens devront affiner leurs prédictions, et les expérimentateurs chercheront des particules à longue durée de vie dans d'autres canaux de désintégration ou dans de futurs collisionneurs.
Les particules à longue durée de vie peuvent parcourir plusieurs mètres dans le détecteur avant de se désintégrer — c'est comme si une balle tirée d'un fusil explosait non pas à la bouche du canon, mais à cent mètres du tireur.