À la recherche de leptoquarks au Grand Collisionneur de Hadrons du CERN

in La Ruche4 months ago

For my English-speaking readers, the present post is a French adaptation of this one addressing my research work on calculations relevant for leptoquark production at CERN’s Large Hadron Collider.

Bonjour à toutes et tous et mes meilleurs vœux pour 2022 ! Vu que l’école et le travail ont repris en France depuis lundi dernier et qu’aujourd’hui est jeudi, me voilà de retour avec des posts de physique des particules et de cosmologie.

Pour ce premier post de l’année, je vais discuter de l’un de mes propres sujets de recherche. Ces travaux ont donné lieu à une première publication scientifique en 2020, à un second article qui n’est pas encore accepté pour publication et à une contribution à un acte de congrès.

Le sujet du jour concerne les calculs théoriques nécessaires pour les recherches de nouveaux phénomènes au Grand Collisionneur de Hadrons du CERN, le LHC. Avec mes collaborateurs, nous avons effectué le calcul des meilleures prédictions actuellement sur le marché pour la production de particules hypothétiques appelées leptoquarks. Vu qu’il est probable que cette dernière phrase ne soit pas trop compréhensible, je me permets de dire que le but du post entier est de l’expliquer… Donc pas de panique !

Ainsi, je vais tout d’abord parler de leptoquarks et expliquer d’où ce terme sort. Ensuite, je me pencherai sur la façon dont les prédictions pour le LHC sont effectuées. Finalement, je parlerai des résultats de mes travaux à proprement parler. Les conclusions (si jamais vous ne voulez pas tout lire, passez directement au dernier paragraphe) est que nous avons prouvé qu’il était impossible de faire des prédictions génériques pour les leptoquarks (contrairement à ce qui était cru et que tout le monde faisait), et que les prédictions théoriques étaient entachées d’importantes incertitudes (et ce même dans le cas des meilleures prédictions possibles).

Certaines parties de ce post seront assez techniques, mais je vais faire mon possible pour simplifier la discussion. Il ne faut bien sûr pas hésiter à me dire si j’ai réussi ou pas ;)


[Crédits: CERN]


Tout tout tout … sur les leptoquarks


Durant les semaines précédentes, j’ai partagé la vision du monde microscopique des physiciens des particules (voir ici pour les détails). En particulier, j’ai discuté l’existence des deux types de particules élémentaires formant le secteur de la matière du Modèle Standard, les quarks et les leptons. Nous avons ainsi six quarks (up, down, strange, charm, bottom et top), trois leptons chargés (l’électron, le muon et le tau) et trois leptons neutres (les neutrinos électronique, muonique et tau).

La différence principale entre ces deux classes des particules et que les quarks sont sensibles à l’interaction forte (l’une des trois interactions fondamentales incluses dans le Modèle Standard), tandis que ce n’est pas le cas pour les leptons. Ainsi, les quarks interagissent entre eux via les interactions fortes, faibles et électromagnétiques, tandis que les leptons interagissent seulement faiblement et électromagnétiquement. Il n’y a de plus aucune interaction impliquant simultanément un lepton et un quark.

C’est ici que les leptoquarks entrent en jeu. Avant toute chose, rappelons le plus important: les leptoquarks sont hypothétiques. Il n’y en a pas dans le Modèle Standard et il n’y a aucun signe de leur existence dans les données actuelles. Maintenant que cela est dit, nous pouvons définir ce qu’est un leptoquark. Dans la racine du mot leptoquark, on retrouve à la fois lepton et quark. Ce n’est pas pour rien. Un leptoquark est une particule hypothétique qui interagit simultanément avec un lepton et un quark. De plus, tout comme les quarks, les leptoquarks sont sensibles aux interactions fortes, faibles et électromagnétiques.


[Crédits: mohamed_hassan (Pixabay)]

Mais pourquoi avoir besoin de leptoquarks ? Les raisons principales est que nous savons que même si le Modèle Standard marche de façon excellente, il n’est que la partie visible de l’iceberg (voir ce post pour plus de détails). Et une fois que l’on se plonge dans les théories au-delà du Modèle Standard, on se rend compte qu’un grand nombre d’entre elles prédisent l’existence de leptoquarks.

Par exemple, si nous essayons d’unifier les interactions fondamentales et les briques de base de la matière (cela s’appelle la Grande Unification), on se retrouve automatiquement avec des leptoquarks dans les pattes. De façon similaire, ils apparaissent naturellement dans certains modèles de technicouleur ou composites. Dans ces classes de modèles, on ajoute une nouvelle interaction forte à la théorie, tout comme de nouveaux blocs de base pour la matière. Le boson de Higgs a alors une nature composite. Et bien entendu cette liste de modèles peut s’allonger fortement. On peut parler de certains modèles supersymétriques ou même de modèles de théorie des supercordes.

Bref, étudier les leptoquarks, ce n’est pas si délirant que cela, et plutôt même assez motivé. Logiquement, les leptoquarks sont recherchés assez activement au Grand Collisionneur de Hadrons du CERN (i.e. le LHC).


Les signaux de leptoquarks au LHC


Dans le cadre des collisions à haute énergie se produisant au LHC, le meilleur mécanisme pouvant donner lieu à la production de leptoquarks est celui menant à la production d’une paire de leptoquarks. En effet la production par paire met en jeu l’interaction forte, de sorte que nous pouvons obtenir une production de leptoquarks assez conséquente. Au contraire, la production d’un leptoquark unique fonctionne via l’interaction faible, naturellement associée à des phénomènes beaucoup plus rares.

Ensuite, les leptoquarks sont instables et se désintègrent quasi instantanément une fois produits. Sans cela, on aurait d’ailleurs des problèmes avec la cosmologie. Mais en quoi un leptoquark peut-il se désintégrer ? C’est assez simple : un leptoquark se désintègre, comme son nom l’indique, en un quark et un lepton. Par conséquent, nous allons produire une paire de leptoquarks, qui se désintègrera par la suite en deux leptons et deux quarks (un lepton et un quark par leptoquark). Cela nous permet de lister toutes les signatures typiques pour un signal de leptoquarks au LHC.


[Crédits: ATLAS @ CERN]

Nous avons six quarks et six leptons dans le Modèle Standard. Il y a donc un certain nombre de possibilités pour rechercher des signaux de leptoquarks. Par exemple, nous avons des recherches de signes de leptoquarks via une signature contenant deux quarks top et deux leptons tau, ou deux quarks plus légers et deux électrons, et ainsi de suite.

Malheureusement, ces recherches ne donnent rien jusqu’à présent. Une exception pourrait (au conditionnel) être les anomalies de saveur dont j’ai déjà parlé le mois dernier (mais pas encore écrit de blog dédié; ça va venir). Ces anomalies sont présentes depuis un moment, et deviennent de plus en plus solides au fil du temps. Elles pourraient ainsi être une preuve de physique au-delà du Modèle Standard. Nous n’en sommes cependant pas encore là, et pour le moment nous ne pouvons pas parler de preuve (voir ce post pour obtenir plus d’informations sur ce qu’on appelle une découverte en physique des particules).

Le point intéressant et amusant est que si nous supposons que ces anomalies sont réelles, elles peuvent alors être expliquées simplement à partir de leptoquarks. Pour cette raison, nous avons une excitation grandissante autour des leptoquarks.

Bref, j’ai mentionné ci-dessus que le mieux pour produire des leptoquarks au LHC était de faire appel à l’interaction forte et au mécanisme de production par paire. À présent, nous pouvons entrer dans le vif du sujet : comment faire un calcul théorique qui nous permettra d’estimer correctement combien de leptoquarks seront produits. C’est de ce dont je vais parler dans la suite de ce post, de façon espérons-le assez simple.


Prédictions pour le Grand Collisionneur de Hadrons


Afin de pouvoir comprendre ce que j’ai fait exactement dans mon travail de recherche, il me faut d’abord passer un peu de temps pour expliquer la façon de calculer un taux de production de particules en physique des hautes énergies. En gros, je vais tenter d’expliquer comment nous pouvons estimer la fréquence de la production d’une paire de leptoquarks au LHC.


[Crédits: CERN]

Le premier concept important est celui des densités de parton. Au LHC, on collisionne des protons. Cependant, ce ne sont pas les protons qui interagissent lors d’une collision à haute énergie, mais leurs constituants appelés de façon générique partons.

Ainsi, pour produire une paire de leptoquarks, on pourrait considérer un mécanisme mettant en jeu l’annihilation d’un quark (constituant du premier proton) et d’un antiquark (constituant du second proton). Les densités de parton permettent alors de faire le lien entre les protons qui se collisionnent et la collision quark-antiquark qui sera celle menant à la production des leptoquarks.

Le second ingrédient de notre calcul est ce qui est appelé la section efficace du processus partonique. Il s’agit du taux avec lequel un état initial partonique donné (une paire quark-antiquark dans l’exemple ci-dessus) se transforme dans un état final considéré (une paire de leptoquarks dans l’exemple ci-dessus). Par ‘partonique’, on veut ainsi dire que l’on se place au niveau des constituants des protons de la collision, et non pas au niveau des protons eux-mêmes. Comme déjà dit, la connection entre les deux est faite par les densités de parton.

Cette section efficace du processus partonique se calcule à l’aide de l’équation maîtresse de la théorie. Dans le Modèle Standard, on utilisera l’équation maîtresse du Modèle Standard. Dans le cas de physique au-delà du Modèle Standard, une autre équation maîtresse doit être utilisée (comme par exemple une équation incluant des leptoquarks et leurs propriétés).

Avec les deux ingrédients ci-dessus, on est en principe capable de calculer le taux production de leptoquarks dans les collisions proton-proton du LHC. Mais il y a un piège (sinon ce ne serait pas drôle). Le monde microscopique est quantique. Cette nature quantique implique que toute prédiction doit inclure ce qu’on appelle les corrections quantiques (je ne rentrerai pas dans les détails sur ce que sont ces corrections en pratique).


[Crédits: IRFU]

Commençons par revenir à notre taux de production. On peut le calculer sans prendre en compte les corrections quantiques. C’est jouable, assez facile, mais le calcul va être associé à une incertitude théorique potentiellement assez grande. En gros, on pourrait obtenir l’ordre de grandeur du résultat, mais sans plus.

Afin de réduire les incertitudes, il nous faut inclure les fameuses corrections quantiques dans nos prédictions. La bonne nouvelle est que ces corrections peuvent être organisées en un morceau sous-dominant, un morceau sous-sous-dominant et ainsi de suite (la partie dominante étant la prédiction sans correction quantique). Cette façon de faire provient de la nature perturbative des interactions fortes à haute énergie. Ainsi, quand on ajoute un morceau donné au calcul, ce dernier devient plus précis. Le résultat est alors plus solide.

La composante sous-dominante des calculs est en principe assez aisée à évaluer. Le reste est beaucoup plus dur. Ainsi, les corrections sous-dominantes pour la production d’une paire de leptoquarks sont connues depuis la fin des années 1990. Nous n’avons aucune idée du reste des corrections, que l’on suppose moins importantes.


Mon travail de recherche : des prédictions de précision pour la production d’une paire de leptoquarks


Dans mes publications scientifiques récentes (ici et ), nous nous sommes attelés à un nouveau calcul pour la production d’une paire de leptoquarks. Ce calcul est beaucoup plus précis que ce qui était donné par les résultats des années 1990 (considérés alors comme l’état de l’art).

Tout d’abord, nous avons amélioré la modélisation du terme dominant du taux de production (c’est-à-dire sans prendre en compte les corrections quantiques). Jusqu’à présent, seules les contributions de l’interaction forte étaient incluses dans le calcul. Mais il y a des contributions mettant en jeu le couplage leptoquark-quark-lepton mentionné déjà plusieurs fois dans ce blog (et qui n’est lié ni à l’interaction forte, ni à l’interaction faible). Ces contributions étaient jusqu’à présent considérées comme négligeables, de sorte qu’il était tout à fait justifié de les ignorer. Cependant, au vu des anomalies de saveur, il se trouve que ce n’est plus nécessairement le cas. Ce couplage leptoquark-quark-lepton peut être beaucoup plus fort que prévu.

Ensuite, nous avons calculé les corrections quantiques sous-dominantes au taux de production dominant complet (contenant à la fois les contributions de l’interaction forte et celles mettant en jeu le couplage leptoquark-quark-lepton). Par rapport aux calculs des années 1990, nous avons ainsi inclus toutes les contributions liées à ce couplage leptoquark-quark-lepton.

Finalement, nous avons réussi à inclure de façon consistante des contributions partielles à chaque terme d’ordre plus élevé, rendant le calcul aussi précis qu’il puisse l’être au vu de l’état de l’art actuel.

Comme exemple de résultats, je me permets de partager la figure ci-dessous qui est valable pour un scénario de leptoquarks donné permettant d’expliquer les anomalies de saveur.


[Crédits: arXiv]

En bleu, nous avons les prédictions telles qu’obtenues à partir des calculs des années 1990. Elles incluent donc toutes les contributions dominantes et sous-dominantes mettant en jeu l’interaction forte, et ignorent les contributions potentielles du couplage leptoquark-quark-lepton. La figure montre trois jeux de prédiction pour le taux de production de leptoquarks au LHC. Ce dernier est la quantité représentée sur l’axe y dans des unités appropriées pour la physique des particules.

Pour chacune des trois prédictions en bleu, des densités de parton différentes sont employées. Chacune est très moderne et utilisée couramment, et aucune n’est meilleure qu’une autre. La différence entre les prédictions peut alors être prise comme une incertitude supplémentaire sur les calculs.

En rouge se trouvent nos résultats. On voit tout d’abord que le taux de production était sous-estimé d’environ 50% avec les anciens calculs. Cela signifie que négliger le couplage leptoquark-quark-lepton est une très mauvaise approximation.

De plus, le niveau des incertitudes (la taille des barres d’erreur) est très dépendant du jeu de densités de parton employé. D’une certaine façon, le gain en précision par l’ajout des corrections quantiques (donné par les barres d’erreurs rouges et bleues en trait foncé) est compensé par une perte de précision liée aux densités de parton (voir les barres d’erreurs pâles). Ceci était assez inattendu.

Pour d’autres scénarios de leptoquarks, nous avons même parfois observés que les prédictions obtenues avec un certain jeu de densités de parton n’étaient pas compatibles avec celles obtenues en utilisant un autre jeu de densités de parton. Même si cela peut sembler être un gros problème, ce n’est pas si grave. Les jeux de densités de parton utilisés dans nos calculs ne se basent pas encore sur toutes les données du LHC, de sorte qu’ils vont devenir plus précis dans le futur. Cela peut d’ailleurs se voir avec la prédiction la plus à droite se basant sur les densités de parton les plus récentes. Dans ce cas, l’amélioration venant de notre calcul est immanquable.


Je n’ai rien lu, de quoi ce post parle-t-il en 5 phrases ?


Il est à présent temps de finaliser ce post un petit peu longuet…

Le sujet du jour concerne l’un des mes travaux de recherche, et est dédié aux meilleurs calculs possibles pour produire des paires de leptoquarks au Grand Collisionneur de Hadrons du CERN, le LHC.

Les leptoquarks sont des particules hypothétiques sensibles à toutes les interactions fondamentales. De plus, ils ont la particularité d’interagir simultanément avec un lepton et un quark du Modèle Standard. Les leptoquarks sont devenus assez célèbres ces derniers temps, en tant qu’explications possibles pour plusieurs anomalies présentes dans les données.

Dans mes travaux, nous avons amélioré les prédictions théoriques pour les leptoquarks par rapport aux calculs des années 1990 (considérés jusqu’il y a peu comme les calculs les plus précis disponibles). Nous avons montré que les taux de production de leptoquarks pouvaient être largement différents des attentes venant des calculs plus anciens, et que les incertitudes associées pouvaient être plus importantes que prévu.

Pour cette raison, les collaborations ATLAS et CMS du LHC utilisent à présent nos calculs, ce qui leur permet d’obtenir des conclusions plus robustes dans leurs recherches de leptoquarks. Plus de précision permet en effet de dériver de meilleures contraintes sur les modèles (lorsqu’aucun signal n’est observé) et de conclure plus rapidement à une découverte (dans le cas où un signal serait observé).

Voilà ! J’espère que vous avez apprécié ce post, et qu’il était suffisamment compréhensible. N’hésitez pas à me le faire savoir en commentaires, et à partager vos questions éventuelles. Pour @robotics101, il y a en fait un lien qui n’a rien à voir caché dans cet article. Le trouveras-tu ? ;)

À jeudi prochain !

Sort:  

Je ne sais pas combien de temps te prends l'écriture de tes articles mais ça doit être assez conséquent 😮

Vu que leptons et quarks ont un spin 1/2 (si je ne me trompe pas) cela veut-il dire qu'il en est de même pour les leptoquarks? D'ailleurs en passant si un jour tu fais un article sur le spin je le lirais avec plaisir ayant toujours du mal a à la fois le comprendre (pourquoi il est là? D'où vient-il?...) et trouver un moyen de me le représenter vu que le mot spin ne lui correspond pas trop si j'ai bien compris.

Quand vous faites vos expériences comment savoir si un élément extérieur de très faible intéraction (disons par exemple le neutrino) ne vient pas une fois tout les x expériences la fausser ou tout du moins en modifier le résultat?

Quand vous analyser les données d'une expérience vous avez des outils permettant dans un premier temps d'épurer les données en retirant tout ce qui est déjà connue pour avoir plus de visibilité et pouvoir ce concentrer plus facilement sur ce qui pourrait potentiellement vous intéresser ou devez vous lire au travers une "bouillie" de données?

Si leptoquark il y a est-ce une erreur de se le représenter comme un état plutôt qu'une particule elle même?

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Voilà un article passionnant.
La profondeur de l'article dépasse la limite de mes connaissance bien qu'ayant une formation scientifique plutôt axée sur les maths.
C'est une chance de nous offrir ce pan de savoir.
On se rend compte que chaque porte ouverte dans un champ de recherche nous mets face à deux nouvelles portes masquant des savoirs encore inconnus...

Merci pour ce commentaire constructif. Je pense avoir en effet tape un peu trop haut par rapport au niveau du post. J'en etais a moitie sur, mais j'avais envie de tenter. Maintenant j'ai ma reponse (tu n'es pas le seul a me l'avoir signaler).

Je vais me rattraper sur le suivant, qui parlera de quarkonia et toponia et sera d'acces plus facile, et potentiellement legerement plus court (mais pas tant que ca).

A bientot et bonne fin de week-end !

J'aimerais tout comprendre, mais a chaque mot scientifique, j'ai l'impression d'avoir sécher tous mes cours de physique a l'école. (ce qui est faux!!!). Mais merci quand meme pour ce travail

Merci pour ce feedback. Comme je l'ai dit dans un autre commentaire, je pense que le niveau de ce post n'est pas du tout approprie. J'avais envie de tester, en etant a moitie sur. Maintenant j'ai ma reponse. :)

Mais pas de panique, le post suivant sera plus simple !

Superbe article même si j’avoue humblement ne pas avoir tout assimilé.
Merci ☺️

Merci pour le message. N'hesite pas a me poser des questions si jamais tu avais envie d'en apprendre plus sur un point particulier. J'y repondrai avec plaisir :)

Cela faisait bien longtemps que je ne m'étais pas aventuré en ces lieux et je me vois bien heureux d'apercevoir que tu es toujours présent et actifs pour partager du savoir théorique que je peux maintenant beaucoup mieux assimiler (les années passées ayant été dédiées à des études scientifiques (CPGE)).

Même si je n'ai pas pu tout comprendre j'ai essayer d'emmagasiner assez de savoir nouveau et je dois dire que la physique des particules est quelque chose de vraiment excitant car elle semble être au coeur des découvertes futures.

J'espère lire de nouveau articles et étancher ma soif de savoir avec toi :)

Bonjour a toi et egalement ravi de voir que tu es revenu dans le coin. J'ai du me mettre en mode plus ou moins hors Hive pendant 18 mois en raison de la pandemie, mais je suis en effet de retour depuis fin novembre / debut decembre. Comment se passent tes etudes ? Ou es-tu a present ?

Cet article-ci est probablement un peu dur a apprehender. Mais j'ai bien recu le feedback et le post suivant (demain, dont la version anglaise est disponible depuis lundi) sera plus facile d'acces.

A bientot !

Mes études se passent pour le mieux à présent malgré 2 années un peu dur au niveau personnel et charge de travail. Passer de cours de lycée assez basique à une classe préparatoire n'étant déjà pas simple mais en y ajoutant le facteur pandémie c'était assez dur.

Je suis actuellement en 2e année (redoublement) de préparations aux grandes écoles et j'ai des concours à passer prochainement pour m'orienter dans l'ingénierie aérospatiale de préférences ou bien dans le secteur du numérique.. Bien loin du secteur de la recherche qui me fascine mais qui me paraît toujours très complexe.

J'irais sûrement lire ton article en anglais le sujet m'intéresse vraiment et un aspect plus facile d'accès permettra de comprendre plus de notions 😉

Et oui, la pandemie a touche enormement de monde, etudiants comme enseignants. Je dois probablement avoir perdu 5 ans d'esperance de vie dans le processus, avec tout le stress que cela a entraine. Mais quand tu regardes l'etat de certains etudiants et certaines etudiantes, le mien n'est pas si grave. Pour le moment, ici a Sorbonne on tient bon en presentiel (et ce choix ne me semble pas deraisonnable, meme si je ne suis pas un epidemiologiste.

Je te souhaite bon courage pour les concours. J'espere que tu arriverai a entrer dans l'ecole de ton choix.

Pour les articles, n'hesite pas a lire les 3-4 precedents (en francais) qui sont assez generaux. Pour le moment, je poste en anglais le lundi et la VF le jeudi.

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