Noirceur savoureuse ou sombres saveurs, telle est la question

Once again, I start this “Thursday post” by recommending my English-speaking readers to follow this link to get its English version. It addresses one of my research works related to the construction of a particle physics model solving two puzzles in high-energy physics in one go.

Cette semaine, je vais discuter de l’un de mes travaux tout récents (l’article vient d’être accepté pour publication dans le Journal of High Energy Physics). Avec des collaborateurs, nous avons proposé un cadre théorique étendant le Modèle Standard de la physique des particules, et permettant de résoudre d’une part l’une de ses limitations et d’expliquer d’autre part certaines anomalies présentes dans les données. Comme à chaque fois, ceux et celles pressés par le temps pourront se contenter de lire la première et la dernière partie de ce post. Pour les autres, amusez-vous bien avec le texte complet ;)

Les anomalies dont je parle ci-dessus sont les anomalies de saveur concernant un désaccord de longue date entre les prédictions du Modèle Standard et les données. Dans un post récent, j’avais discuté de particules hypothétiques appelées leptoquarks comme candidats potentiels pour expliquer cette différence entre théorie et expérience. Aujourd’hui, ces leptoquarks sont à nouveau à l’honneur.

D’un autre côté, le Modèle Standard n’est pas capable d’expliquer pourquoi nous avons de la matière noire dans l’univers, comme discuté dans le post de la semaine dernière. Les données cosmologiques nous indiquent en effet qu’il existe une forme de matière inconnue peuplant tout l’univers, la matière noire, pour laquelle le Modèle Standard n’a rien à dire.

Dans le travail de recherche au centre de notre attention aujourd’hui, je vais expliquer comment à l’aide d’un bon tas de physiciens et physiciennes, on est arrivé à construire une nouvelle théorie consistante à la fois avec les anomalies de saveur et la matière noire. De plus, nos résultats démontrent que le Grand Collisionneur de Hadrons du CERN (le LHC) est légèrement sensible à ce modèle. Cependant, les meilleurs outils dont il pourrait disposer n’existent pas. En d’autres termes, nous avons trouvé des failles dans le programme expérimental de recherche de nouveaux phénomènes au LHC.

^{[Crédits: Image originale de Kalki (CC BY-SA 3.0)]}

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Les anomalies de saveur et les leptoquarks

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Le Modèle Standard de la physique des particules est une théorie fascinante sur de nombreux aspects. Mis en place dans les années 1960, il permet d’expliquer toutes les données de physique des hautes énergies accumulées depuis plus de 60 ans. De plus, il permet de fournir des prédictions pour toute future expérience. Dans le contexte du Modèle Standard, la matière est faite de quarks et de leptons.

Les quarks sont les briques de base permettant de former des noyaux atomiques, et les leptons incluent des particules comme l’électron qui est nécessaire pour obtenir une vision cohérente des atomes (c’est-à-dire un noyau atomique avec des électrons lui tournant autour). Bien qu’en principe, on peut faire tout cela avec seulement deux quarks et deux leptons, le Modèle Standard inclut deux copies plus lourdes de chacun de ces quatre blocs principaux. De plus, nous avons une antiparticule pour chaque particule, ici les antiquarks et les antileptons.

Les quarks et les antiquarks ressentent les trois interactions fondamentales du Modèle Standard, dont l’interaction forte qui implique qu’ils ont la possibilité de former des particules composites. On peut citer comme exemples archi-connus les protons et les neutrons (que nous combinons ensuite pour former les noyaux atomiques), ainsi que les quarkonia contenant un quark et un antiquark. En revanche, les leptons ne sont sensibles qu’aux l’interactions électromagnétique et faible.

Notre théorie ne permet cependant pas à un lepton d’interagir directement avec un quark. Les forces électromagnétiques, fortes et faibles ne permettent en effet qu’aux quarks et antiquarks d’interagir ensemble, et les forces électromagnétiques et faibles ne permettent qu’aux leptons et antileptons d’interagir ensemble. Si nous voulons établir une connection directe entre les quarks et les leptons, il nous faut alors introduire des nouvelles particules au-delà du Modèle Standard.

Les leptoquarks sont un moyen de réaliser cette connection. Ces particules hypothétiques portent en effet le nom de lepotoquark parce qu’elles interagissent simultanément avec un quark et un lepton (et non pas parce qu’elles aiment le fromage).

^{[Crédits: Image originale de mohamed_hassan (Pixabay)]}

Revenons à présent à nos moutons (les anomalies de saveur). Ces anomalies sont liées aux désintégrations de particules composites contenant un quark et un antiquark en un état final contenant des leptons. Dans le Modèle Standard, il y a trois leptons chargés et trois neutrinos. Nous pouvons démontrer qu’il doit y avoir une certaine universalité dans les taux d’apparition des différents types de leptons lors de désintégrations de kaons. Cependant, les données ne sont pas d’accord avec cette prédiction.

C’est exactement ici que les leptoquarks entrent en jeu. Soit un modèle au-delà du Modèle Standard dans lequel nous avons des leptoquarks. Ces derniers contribuent naturellement à un processus de désintégration mettant en jeu des quarks et antiquarks (état initial) et des leptons et antileptons (état final). En raison de leur interaction avec un lepton et un quark, les leptoquarks impliquent naturellement une connection entre l’état initial et l’état final des processus de désintégration problématiques. Avoir des leptoquarks dans la théorie permet alors de restorer l’accord avec les données.

Mais jusque là, pas grand chose de neuf. Notre modèle n’a cependant pas pour seul but de résoudre l’histoire des anomalies de saveur avec des leptoquarks (cela a déjà été fait). Il se penche également sur la problématique de la matière noire.

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Une fenêtre leptoquarkienne sur le côté obscur

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Pour le moment, nous sommes partis du Modèle Standard et y avons ajouté un leptoquark afin de pouvoir s’occuper des problèmes liés aux anomalies de saveur. À présent, on peut regarder ce qu’il nous faut faire pour pouvoir avoir une particule pouvant jouer le rôle de la matière noire.

Bien que le concept de la matière noire fut introduit pour la première fois à la fin du 19^ème siècle, la matière noire telle qu’elle est définie aujourd’hui est un peu plus récente. Elle provient des travaux initiaux de Zwicky dans les années 1930, dans lesquels il a étudié les courbes de rotation des galaxies, et de leur confirmation 30 à 40 années plus tard par Rubin. En utilisant la distribution des étoiles dans les galaxies telle qu’observée et notre connaissance de la mécanique newtonienne et de la gravitation, on peut montrer que l’univers contient une forme de matière invisible. Sans cela, la vitesse de rotation des étoiles éloignées des centres des galaxies serait trop faible.

Cette forme de matière invisible est appelée matière noire, où le qualificatif de ‘noir’ s’oppose à celui de ‘lumineux’. La matière noire n’émet en effet pas de lumière, ni n’en réfléchit ni n’en absorbe. Elle se contente d’interagir gravitationnellement avec les étoiles et influence leur façon de se déplacer dans les galaxies. Il devient alors aisé de comprendre pourquoi les étoiles se trouvant en périphérie des galaxies tournent si vite autour des centres galactiques.

La matière noire prend une place majeure dans le Modèle Standard de la cosmologie (appelé aussi le modèle 𝛬CDM). Ce modèle permet de comprendre un certain nombre d’observations cosmologiques. Par exemple, l’étude des variations de température dans le rayonnement fossile présent dans tout l’univers permet de déterminer que la matière est faite de 80% de matière noire environ.

De plus, les données des lentilles gravitationnelles (la courbure des trajectoires lumineuses par les objets massifs) et les simulations de la formation des galaxies montrent tous les deux qu’il faut qu’une partie importante de la matière soit noire.

Autrement dit, nous avons un grand nombre de preuves indirectes concordantes les unes avec les autres qui supportent l’existence de la matière noire.

^{[Crédits: Jeremy Thomas (domaine public)]}

Il n’y a cependant aucune particule du Modèle Standard pouvant jouer le rôle de matière noire. Par conséquent, une explication à la matière noire venant de la physique des particules nécessite d’étendre le Modèle Standard. Reprenons alors le travail de recherche que je discute aujourd’hui.

Notre but est de construire un modèle de physique de particules dans lequel à la fois les problèmes des anomalies de saveur et de la matière noire sont résolus. Cela se fait en quatre étapes.

1. On démarre du Modèle Standard.
2. On y ajoute un leptoquark afin de pouvoir avoir un accord entre théorie et données dans le cadre des anomalies de saveur.
3. On y ajoute une autre particule pouvant remplir le rôle de la matière noire.
4. Finalement, on connecte la matière noire au Modèle Standard.

Comme mentionné dans le blog de la semaine dernière, une particule de matière noire avec des bonnes propriétés implique qu’elle doit communiquer avec le Modèle Standard via un médiateur. Une communication directe ne permettra en effet pas à la matière noire d’être stable (ce qui l’empêcherait d’être toujours présente dans l’univers aujourd’hui).

Ici, nous allons utiliser le leptoquark comme un médiateur, par souci de simplicité. Ça ne fonctionne cependant que si nous avons deux particules de matière noire dans le modèle. Dans notre article de recherche, on a ensuite démontré par calcul que cette configuration était viable, et que les nouvelles particules avaient les bonnes propriétés par rapport aux anomalies de saveur et à la cosmologie.

Cela nous amène à l’une des questions les plus importantes de notre publication : comment tester le modèle considéré au Grand Collisionneur de Hadrons du CERN (le LHC).

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Leptoquarks et matière noire au LHC

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Afin de savoir comment tester notre modèle au LHC, il faut commencer par déterminer de quelle façon il s’y matérialise. Nous avons ici deux possibilités. On peut soit étudier les recherches de leptoquarks, soit regarder celles de matière noire. Commençons par ces dernières.

Un bon exemple de collision au LHC pouvant être associée à une production de matière noire est montré dans la figure ci-dessous. On y voit un enregistrement d’une collision par le détecteur CMS.

^{[Crédits: CERN]}

Les traces vertes (au milieu) et les dépôts rouges et bleus (en haut) correspondent à ce que le détecteur a vraiment vu. En physique, l’une des règles d’or incontournable est que l’énergie et l’impulsion sont conservées dans une collision. On peut vérifier si cela est vraiment le cas avec l’enregistrement ci-dessus. On trouve alors qu’il manque de l’énergie et de l’impulsion. Il s’agit de la flèche rouge en bas de la figure.

Ces énergies et impulsions manquantes sont considérées comme étant emportées par des particules invisibles produites lors de la collision, comme de la matière noire. Cependant, aucun signal comme ceux-ci n’a été observé jusqu’à présent. Il nous faut ainsi vérifier que notre modèle soit bien compatible avec ces données.

Il n’y a en fait qu’une façon d’y arriver. Nous avons démontré que les masses des deux particules noires devaient être proches pour rendre les signaux d’énergie manquante prédits par le modèle compatibles avec le fait qu’aucun signe de matière noire ne transparaissait des données jusqu’à présent.

Il nous reste à évaluer la compatibilité du modèle pour les recherches de leptoquarks. Il nous faut de plus vérifier que le leptoquark peut bien remplir son rôle de médiateur entre la matière noire et le Modèle Standard.

Comme je l’ai déjà dit dans des posts antérieurs, la façon la plus efficace pour produire des leptoquarks au LHC est de les produire par deux. Cela implique l’interaction forte, et donc des taux de production élevés. Une fois produits, ces deux leptoquarks se désintègrent alors instantanément.

Nous avons deux options pour ces désintégrations. Soit le leptoquark se désintègre en un quark et un lepton (vu que le leptoquark connecte par définition un quark et un lepton), soit il se désintègre en particules noires (vu que le leptoquark est médiateur entre le Modèle Standard et les particules noires, et doit donc interagir avec ces dernières).

Dans le cas le plus simple, les deux leptoquarks se désintègrent de la même façon. Cette configuration est celle sur laquelle se basent les recherches expérimentales. Une signature typique du processus complet (production de leptoquarks et leur désintégration) sera alors faite de deux leptons identiques et deux quarks identiques. Tout un catalogue de tels signaux a été étudié dans les données et il est facile d’extraire les contraintes sur notre modèle (pour info, aucun signal de leptoquark n’a été vu dans les données).

Mais cette possibilité de désintégrations identiques n’est pas la seule option. Un cas mixte où chaque leptoquark se désintègre différemment est ainsi très fréquent dans notre modèle. Ces canaux ne sont cependant pas considérés expérimentalement, de sorte que de nombreux moyens de contraindre ou découvrir le modèle ne sont pas disponibles.

En particulier, un canal typique de notre modèle correspond à un signal où le premier leptoquark se désintègre en une paire quark-lepton et le second en une paire de particules noires. Ce canal offre l’avantage de pouvoir permettre d’observer l’existence d’une connection entre les anomalies de saveur et la matière noire. Son potentiel est illustré dans la figure ci-dessous. On peut y voir la masse du leptoquark sur l’axe x et celle de la matière noire sur l’axe y.

Dans notre travail, on a démontré que pour toute configuration de masse se trouvant en bas à gauche de la ligne noire offrait une possibilité de détection au LHC, pour autant qu’une analyse de ce canal semi-noir / semi-visible soit effectuée.

^{[Crédits: arXiv:2111.08027 [hep-ph]]}

Bien que seulement une faible fraction de toutes les possibilités pourra être couverte dans les futures données, l’analyse que nous avons proposée est la seule qui pourra démontrer l’existence d’un lien entre les anomalies de saveur et la matière noire. Il ne faudra du coup pas la manquer.

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J’ai rien compris. La version courte ça donne quoi ?

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Dans ce post, j’ai discuté de l’un de mes récents travaux de recherche dans lequel nous nous sommes concentrés sur deux problèmes du Modèle Standard de la physique des particules. Avec mes collaborateurs, nous avons construit un modèle dans lequel une particule peut jouer le rôle de matière noire. De plus, le modèle fournit une explication aux anomalies de saveur par la présence d’un leptoquark.

Nous avons démontré que la construction d’un tel modèle était viable, c’est-à-dire que nous pouvions expliquer les anomalies de saveur en ayant des prédictions pour la matière noire en accord avec la cosmologie. Ensuite, nous avons étudié le modèle au Grand Collisionneur de Hadrons du CERN, le LHC. Dans ce contexte, nous pouvons sonder le modèle par son côté sombre en raison des recherches de matière noire au LHC, ou via des analyses dédiées aux signatures de leptoquarks dans lesquelles des leptons et des quarks sont produits.

Nous avons observé que des contraintes existaient, mais que de nombreux canaux potentiellement utiles n’étaient pas couverts par les recherches actuelles. Les contraintes imposées sur le modèle sont ainsi bien plus faibles que ce qu’elles pourraient être. En particulier, une analyse de la production par paire de leptoquarks suivie d’une désintégration mixte dans laquelle un premier leptoquark se désintègre en une paire quark-lepton et un deuxième en matière noire est manquante, alors qu’elle seule pourrait permettre de mettre au jour l’existence d’une connection entre les anomalies de saveur et la matière noire.

Ces manquements dans le programme de recherche du LHC sont parmi nos résultats les plus importants. Nous avons envoyé un message aux expérimentateurs, qui (espérons-le) corrigeront le tir pour les prochaines sessions de prise de données.

Il est temps de se dire au revoir. J’espère que vous avez apprécié la lecture de ce post. Comme toujours, commentaires et feedbacks sont les bienvenus, tout comme les questions diverses sur la physique des particules et la cosmologie en général.

Bon week-end à tous (un peu à l’avance), et pour ceux qui sont artistes dans l’âme, surveillez le compte @stemsocial (en anglais) en début de semaine prochaine !