L’expérience ATLAS révèle les propriétés fondamentales des interactions fortes

La nature quantique des interactions entre particules élémentaires permet de tirer des conclusions non triviales même à partir de processus aussi simples que la diffusion élastique. L’expérience ATLAS à l’accélérateur LHC rapporte la mesure des propriétés fondamentales des interactions fortes entre les protons à des énergies ultra-élevées.

La physique des collisions de boules de billard est enseignée dès les premières années d’école. Dans une bonne approximation, ces collisions sont élastiques, où la quantité de mouvement et l’énergie sont conservées. L’angle de diffusion dépend de la centralité de la collision (ceci est souvent quantifié par la valeur du paramètre d’impact – la distance entre les centres des balles dans un plan perpendiculaire au mouvement). Dans le cas d’un petit paramètre d’impact, qui correspond à une collision très centrale, les angles de diffusion sont grands. Lorsque le paramètre d’impact augmente, l’angle de diffusion diminue.

En physique des particules, nous traitons également des collisions élastiques, lorsque deux particules entrent en collision, conservent leur identité et se dispersent d’un certain angle par rapport à leur direction de mouvement d’origine. Ici, nous avons également une relation entre le paramètre de collision et l’angle de diffusion. En mesurant les angles de diffusion, nous obtenons des informations sur la structure spatiale des particules en collision et les propriétés de leurs interactions.

Des physiciens de l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences, dans le cadre de la collaboration ATLAS, ont effectué une mesure de la diffusion élastique dans les collisions proton-proton à l’accélérateur LHC à une énergie dans le centre de masse de 13 TeV.

En raison des angles de diffusion extrêmement faibles dans de telles interactions (moins d’un millième de degré), les mesures ont nécessité l’utilisation d’un système de mesure dédié. Son élément clé était un ensemble de détecteurs placés à plus de 200 mètres du point de collision, mais capables de mesurer des protons diffusés à des distances de quelques millimètres seulement du faisceau de l’accélérateur.

Cela a été rendu possible par la technique des pots romains, qui permet de placer des détecteurs à l’intérieur du tube de faisceau de l’accélérateur et de les rapprocher du faisceau pendant la prise de données. Une contribution importante du groupe de Cracovie a été le travail sur le système de déclenchement et d’acquisition de données, sans lequel aucune donnée ne peut être enregistrée.

Le deuxième élément important du montage expérimental était la configuration particulière des champs magnétiques façonnant le faisceau de l’accélérateur LHC. Dans les mesures typiques, l’objectif est de maximiser la focalisation du faisceau afin d’augmenter la fréquence des interactions intéressantes. Cependant, les faisceaux étroitement focalisés ont une grande divergence angulaire, rendant la mesure de la diffusion élastique pratiquement impossible. La configuration spéciale de l’aimant minimise cette divergence et garantit des mesures précises.

Le résultat direct de la mesure, publié dans Revue Physique Européenne C, est la distribution de l’angle de diffusion, ou plus précisément la distribution de la variable t, qui est proportionnelle au carré de cet angle. Des conclusions concernant les propriétés fondamentales des interactions nucléaires fortes entre protons à très hautes énergies ont été tirées de la forme de cette distribution. La procédure d’extraction de ces informations est basée sur les propriétés quantiques de la diffusion élastique – des effets qui ne sont pas observés dans le jeu de billard.

La première de ces propriétés est ce qu’on appelle le théorème optique, qui est une conséquence de la conservation des probabilités dans les processus quantiques. Il relie les interactions élastiques aux interactions inélastiques (c’est-à-dire celles où des particules supplémentaires sont produites). Étant donné que les protons des collisions étudiées ont une énergie très élevée, des processus inélastiques se produisent fréquemment. Le théorème optique a permis de déterminer la valeur d’un paramètre appelé la section efficace totale à partir des mesures des seules interactions élastiques.

La section efficace est une grandeur utilisée en physique des particules pour décrire la probabilité d’une réaction particulière. La section efficace totale décrit le risque de tout type de collision proton-proton et est liée à la taille du proton. Le résultat publié par la collaboration ATLAS est la mesure la plus précise de ce paramètre à une énergie de 13 TeV.

La haute précision a été possible, entre autres facteurs, par la détermination précise de la position du détecteur, dont le groupe IFJ PAN était responsable. Le résultat obtenu confirme une propriété importante des interactions fortes – l’augmentation de la section efficace totale avec l’augmentation de l’énergie de collision. Cette augmentation peut être considérée comme la taille du proton augmentant avec l’énergie.

La connaissance précise de la section efficace totale est intéressante non seulement pour l’étude des interactions fortes elles-mêmes mais également dans d’autres domaines de la physique des particules. Les interactions fortes sont pertinentes, par exemple, dans la recherche d’une nouvelle physique dans les expériences au LHC, où elles servent de base, ainsi que dans la recherche sur les rayons cosmiques, où elles sont responsables du développement des gerbes d’air cosmique. Une modélisation précise de ces processus est possible grâce à des mesures précises de grandeurs telles que la section efficace totale.

Dans les collisions proton-proton, la diffusion élastique peut se produire via deux mécanismes : l’interaction nucléaire forte et l’interaction coulombienne, c’est-à-dire la répulsion entre les charges électriques. La deuxième conséquence de la nature quantique du processus étudié est l’interférence entre ces mécanismes. L’interférence dépend de leurs amplitudes de diffusion.

L’amplitude de diffusion est une mesure de probabilité utilisée en physique quantique. Contrairement à la probabilité ordinaire, ses valeurs ne sont pas des nombres réels mais des nombres complexes. Par conséquent, il est décrit soit par sa magnitude et sa phase, soit par ses parties réelles et imaginaires. Étant donné que les interactions de Coulomb sont bien comprises et que leur amplitude de diffusion peut être calculée, en mesurant l’interférence, nous obtenons un aperçu des parties réelles et imaginaires de l’amplitude nucléaire.

La valeur mesurée expérimentalement du rapport de la partie réelle à la partie imaginaire de l’amplitude nucléaire s’avère nettement inférieure aux prédictions des modèles théoriques pré-LHC. Ces modèles découlent de certaines hypothèses sur les propriétés des interactions fortes. L’écart observé remet en question ces hypothèses.

La première hypothèse est qu’aux très hautes énergies, les propriétés des collisions proton-antiproton sont les mêmes que celles des collisions proton-proton et antiproton-antiproton. En effet, bien que les protons soient constitués de quarks et de gluons, les collisions à haute énergie ne se produisent majoritairement qu’entre gluons. Puisque la structure gluonique des protons et des antiprotons est la même, l’hypothèse naturelle est que les interactions dans différents systèmes sont identiques. En admettant une différence, possible du fait de la nature quantique des interactions, les modèles théoriques décrivent les données expérimentales.

La deuxième hypothèse des modèles théoriques concerne la croissance de la section efficace totale avec l’énergie. On a supposé que son caractère pour les énergies supérieures à celles actuellement mesurées à l’accélérateur LHC est le même que celui observé jusqu’à présent. L’écart observé s’explique également par un ralentissement de cette croissance aux énergies supérieures à l’énergie du LHC.

Les deux hypothèses envisagées concernent les propriétés fondamentales de l’interaction forte aux hautes énergies. Quelle que soit celle qui est vraie, les mesures rapportées éclairent notre compréhension des interactions fondamentales des particules.

À l’heure actuelle, les détecteurs utilisés dans les études décrites sont en cours de préparation pour d’autres mesures de diffusion élastique à des énergies encore plus élevées. L’Académie polonaise des sciences de l’Institut de physique nucléaire mène également des recherches sur d’autres processus dans lesquels les interactions fortes et électromagnétiques jouent un rôle important. La technique des pots romains joue un rôle crucial dans ces études.