L’un des mystères les plus médiatisés de la physique d’aujourd’hui est ce que les scientifiques appellent le « problème de CP forte ». Découlant du phénomène déroutant selon lequel les neutrons n’interagissent pas avec les champs électriques bien qu’ils soient constitués de quarks – des particules fondamentales plus petites qui transportent des charges électriques – le problème Strong CP remet en question le modèle standard de la physique, ou l’ensemble des théories que les scientifiques ont été utilisé pour expliquer les lois de la nature pendant des années.
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 aider à résoudre ce mystère. Travaillant en collaboration avec des chercheurs expérimentaux du Laboratoire national des accélérateurs du Laboratoire Fermi, la nouvelle stratégie des physiciens ouvre des opportunités jusque-là inexplorées pour détecter les axions dans les expériences de collisionneur de particules.
L’article des chercheurs est publié et présenté comme suggestion de l’éditeur dans Lettres d’examen physique.
« En tant que physiciens des particules, nous essayons de développer notre meilleure compréhension de la nature », a déclaré Zhen Liu, co-auteur de l’article et professeur adjoint à l’École de physique et d’astronomie de l’Université du Minnesota. « Les scientifiques ont connu un énorme succès au cours du siècle dernier dans la recherche de particules élémentaires à travers des cadres théoriques établis. Il est donc extrêmement déroutant de comprendre pourquoi les neutrons ne se couplent pas aux champs électriques, 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 potentiellement d’en découvrir de nouvelles, est les expériences avec les collisionneurs. Essentiellement, les scientifiques forcent les faisceaux de particules à entrer en collision – et lorsqu’ils se heurtent, l’énergie qu’ils produisent crée d’autres particules qui traversent un détecteur, permettant aux chercheurs d’analyser leurs propriétés.
La méthode proposée par Liu et son équipe consiste à mesurer le produit de « désintégration » – ou 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 la plus lourde de l’électron. En travaillant à rebours à partir des traces de muons dans le détecteur pour reconstruire de telles désintégrations, les chercheurs pensent qu’ils ont une chance de localiser l’axion et de prouver son existence.
« Grâce à cette recherche, nous élargissons les moyens de rechercher la particule d’axion », a déclaré Raymond Co, co-auteur de l’article et chercheur postdoctoral à la faculté de physique et d’astronomie de l’Université du Minnesota et au William Fine Theoretical Physics Institute. « Les gens n’ont jamais utilisé la désintégration des axions en muons comme moyen de rechercher la particule d’axion dans les expériences sur les neutrinos ou les collisionneurs auparavant. Cette recherche ouvre de nouvelles possibilités pour ouvrir la voie à de futurs efforts dans notre domaine. »
Liu and 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 rassemble des théoriciens et des expérimentateurs de partout au pays pour étudier les particules par le biais d’expériences au Fermilab.
Dans cet article, l’équipe théorique dirigée par l’Université du Minnesota a travaillé avec les chercheurs expérimentaux pour effectuer une recherche d’axions en utilisant leur nouvelle méthode et les 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.
Plus d’information:
R. Acciarri et al, Premières contraintes sur les axions QCD lourds avec une chambre de projection temporelle à argon liquide à l’aide de l’expérience ArgoNeuT, Lettres d’examen physique (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.130.221802