La dernière pièce d’un tout nouveau détecteur a terminé la première étape de son voyage vers la découverte de certains des mystères les plus persistants de l’univers.
Le Vertex Locator (VELO) de 41 millions de pixels a été assemblé à l’Université de Liverpool. Il a été assemblé à partir de composants fabriqués dans différents instituts, avant de se rendre chez lui dans l’expérience LHCb (Large Hadron Collider Beauty) au CERN.
Une fois installé à temps pour la prise de données, il tentera de répondre aux questions suivantes :
Un bel équilibre à l’aube de l’espace et du temps
Dans les instants qui ont immédiatement suivi le Big Bang, l’univers était pris dans un équilibre délicat entre la matière et l’antimatière.
D’après ce que nous comprenons des lois de la nature, ces formes de matière auraient dû s’annihiler et laisser derrière elles un univers rempli uniquement de lumière. Pourtant, contre toute attente, la matière a en quelque sorte pris l’avantage et il en restait quelque chose pour former l’univers que nous connaissons aujourd’hui.
Notre meilleure compréhension de la physique du Big Bang nous dit que la matière et l’antimatière ont été créées en quantités égales. Lorsqu’ils sont entrés en contact dans l’univers primitif (beaucoup plus petit et beaucoup plus dense), toute leur masse combinée aurait dû être violemment transformée en énergie pure. Pourquoi et comment la matière a survécu à la rencontre est l’un des mystères les plus profonds de la science moderne.
La théorie actuelle est que, bien que la matière et l’antimatière aient été créées comme des images miroir presque parfaites, il doit y avoir eu un léger déséquilibre, ou défaut. Cela signifiait que certains n’étaient pas des reflets parfaits. Cette différence, aussi infime soit-elle, aurait pu suffire à donner l’avantage à la matière.
De l’autre côté du miroir
Les scientifiques ont déjà trouvé une petite fissure dans le miroir, appelée violation de la parité de charge (CP). Cela signifie que, dans certains cas, la symétrie de la réflexion de la matière et de l’antimatière se rompt.
Il en résulte une particule qui n’est pas l’opposé parfait de son jumeau, et cette « symétrie brisée » peut signifier qu’une particule pourrait avoir un avantage sur l’autre.
Lorsque cette symétrie est brisée, une particule d’antimatière peut se désintégrer à un rythme différent de celui de sa contrepartie matérielle. Si suffisamment de ces violations se sont produites après le Big Bang, cela pourrait expliquer pourquoi la matière a survécu.
En se comportant différemment de leurs équivalents en antimatière, il est possible que les particules de matière à symétrie brisée aient mis un peu plus de temps à se désintégrer. Si cela faisait que la matière restait un peu plus longtemps, cela pourrait expliquer pourquoi elle était la dernière debout.
L’inconnu profond
Pourquoi la matière a survécu n’est pas le seul mystère de l’univers. Il y a une autre question qui intrigue les scientifiques : que pourrait être la matière noire ?
La matière noire est un type de matière insaisissable et invisible qui fournit la colle gravitationnelle pour maintenir les étoiles en mouvement autour des galaxies. Parce que nous ne savons pas encore ce qu’est la matière noire, il se pourrait qu’il y ait d’autres nouvelles particules et forces dans l’univers que nous n’avons pas encore vues.
Découvrir quelque chose de nouveau pourrait révéler une image de la nature radicalement différente de celle que nous avons. De nouvelles particules comme celles-ci pourraient s’annoncer en modifiant subtilement la façon dont les particules que nous pouvons voir se comportent, laissant des traces petites mais détectables dans nos données.
La beauté et le charme de VELO
Le nouveau détecteur VELO, qui remplacera l’ancien détecteur VELO, sera utilisé pour étudier les différences subtiles entre les versions matière et antimatière des particules qui contiennent des particules subatomiques. On les appelle les quarks de beauté et les quarks de charme.
Ces particules exotiques contenant des quarks, également appelées mésons B et D, sont produites lors de collisions au sein du Grand collisionneur de hadrons (LHC). Ils sont difficiles à étudier car les mésons sont très instables et disparaissent en une fraction de fraction de seconde.
Lorsqu’ils se décomposent, cependant, ils se transforment en quelque chose d’autre. Les scientifiques pensent qu’en étudiant ces différentes désintégrations et leurs propriétés, les données de VELO aideront LHCb à révéler les forces fondamentales et les symétries de la nature.
Mesures incroyablement précises
Le nouveau détecteur VELO sera installé aussi près que possible de l’endroit où les particules entrent en collision dans l’expérience LHCb. Ces particules se désintègrent en moins d’un millionième de millionième de seconde et ne parcourent que quelques millimètres. Par conséquent, cette grande proximité donnera à l’appareil les meilleures chances possibles de mesurer leurs propriétés.
La sensibilité et la proximité de VELO avec les faisceaux du LHC lui permettront de prendre des mesures incroyablement précises des particules lors de leur désintégration.
En comparant ces lectures aux prédictions faites par le modèle standard (la théorie directrice de la physique des particules), les scientifiques peuvent rechercher des écarts qui pourraient suggérer de nouvelles particules dans la nature. Ils peuvent également rechercher des violations de CP ou d’autres raisons pour lesquelles la matière et l’antimatière se comportent différemment.
Ces déviations pourraient révolutionner notre compréhension des raisons pour lesquelles l’univers est ce qu’il est.
Construire sur l’héritage de l’ancien
Le VELO est peut-être tout nouveau et à la pointe de la technologie, mais il s’appuiera sur l’héritage du détecteur VELO précédent. Le VELO dispose d’un détecteur de pixels à la pointe de la technologie composé de grilles de minuscules carrés de silicium qui offre une haute résolution même dans l’environnement de rayonnement difficile à proximité des faisceaux du LHC.
Son prédécesseur, avec ses gammes de détecteurs au silicium empilés, a aidé le LHCb à faire des découvertes, notamment :
Aperçus du comportement des particules
Le professeur Themis Bowcock, chef du projet UK VELO, de l’Université de Liverpool, a déclaré: « Les données capturées par l’ancien détecteur VELO nous ont donné des aperçus vraiment alléchants du comportement des particules. Pour progresser, nous devons transformer cela en une étude médico-légale vraiment approfondie. et c’est là qu’intervient le nouveau détecteur VELO. Il nous donne la paire d’yeux précise dont nous avons besoin pour observer les particules au niveau de détail dont nous avons besoin. Tout simplement, le VELO rend possible l’ensemble de notre programme de physique sur LHCb.
Détail sans précédent
Le nouveau VELO sera capable de capturer ces désintégrations avec des détails sans précédent.
Ajoutez à cela un logiciel mis à niveau et une électronique de lecture ultra-rapide qui permettra de localiser en temps réel les quarks de beauté et de charme. Les scientifiques disposeront d’un appareil qui leur permettra de suivre et d’analyser des désintégrations qui étaient auparavant trop difficiles à reconstituer.
Ce qui rend également le nouveau détecteur VELO unique, c’est que les scientifiques peuvent le soulever pour préparer les faisceaux de particules aux collisions. Ensuite, ils peuvent le mettre en place mécaniquement lorsque LHCb est prêt à collecter des données.
Cela permet aux scientifiques de capturer des informations claires à partir des premières particules qui rayonnent des collisions sans usure inutile du faisceau.