Dans le détecteur CMS du Grand collisionneur de hadrons, des protons entrent en collision avec une énergie énorme, produisant une multitude de particules. La plupart se désintègrent presque instantanément, juste au point de collision. Mais certaines particules hypothétiques, si elles existent, pourraient vivre nettement plus longtemps, parcourant quelques centimètres, voire quelques mètres, avant de se désintégrer. Ces « particules à longue durée de vie » laissent une trace inhabituelle dans le détecteur : leurs produits de désintégration n'apparaissent pas au centre, mais sur le côté, comme une branche qui part du tronc d'un arbre.
Ce sont précisément ces traces que les physiciens de l'expérience CMS ont cherchées. Ils étaient à la recherche du superpartenaire du lepton tau, une particule prédite par certaines théories qui étendent le modèle standard. Si elle existe, elle pourrait se désintégrer en un lepton tau ordinaire et en une particule neutre insaisissable. Le lepton tau, à son tour, est également instable et se désintègre rapidement en d'autres particules, mais si sa production a lieu loin du centre, le détecteur enregistrera un décalage caractéristique.
Pour extraire ces événements de l'énorme flux de données, les chercheurs ont utilisé pour la première fois un réseau de neurones à graphes, spécialement entraîné à reconnaître les désintégrations décalées des leptons tau. Le réseau a analysé des millions d'événements enregistrés entre 2016 et 2018, et a sélectionné ceux où les traces des particules ne convergeaient pas en un même point. En conséquence, la sensibilité de la recherche a été considérablement améliorée par rapport aux méthodes précédentes.
Aucune nouvelle particule n'a été détectée, mais ce n'est pas un résultat vide. L'absence de signal a permis d'établir des limites plus strictes sur les masses et durées de vie possibles des superpartenaires du lepton tau. Par exemple, si une telle particule a une masse de 200 GeV, sa durée de vie ne peut pas se situer dans une certaine plage, sinon elle aurait déjà été observée. Ces limites restreignent la zone où la nouvelle physique pourrait encore se cacher, et orientent les futures recherches.
Cette approche, qui consiste à utiliser des réseaux de neurones pour rechercher des signatures non standard, devient un outil de plus en plus important en physique des hautes énergies. À mesure que les données s'accumulent et que les algorithmes s'améliorent, les chances de capturer quelque chose de vraiment nouveau augmentent. Et même si les superpartenaires du lepton tau n'existent pas, les méthodes développées pour les rechercher seront utiles pour étudier d'autres processus rares qui pourraient se cacher dans les données du Grand collisionneur de hadrons.
Le lepton tau est le plus lourd des leptons chargés : il est 3500 fois plus lourd que l'électron et ne vit que 0,3 picoseconde, mais à très haute énergie, il parvient à parcourir quelques millimètres avant de se désintégrer.
Dans le roman « Le Problème à trois corps » de Liu Cixin, les particules supersymétriques sont utilisées comme source d'énergie, et leur recherche dans les collisionneurs est présentée comme la clé pour percer les mystères de l'Univers.