Traquer les particules dotées de charges électriques minimes

Jul 14, 2020

Les particules élémentaires connues possèdent toutes une charge électrique qui est un multiple entier du tiers de la charge de l'électron. Toutefois, selon certaines théories, il existerait des particules élémentaires « millichargées », dont la charge serait bien plus faible que celle de l'électron, et qui pourraient constituer une partie de l'insaisissable matière noire qui remplit l'Univers. Une équipe internationale de chercheurs a rendu compte de la recherche, pour la première fois auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC) – et, plus généralement, auprès d'un collisionneur de hadrons – de particules élémentaires porteuses de charges inférieures à un dixième de la charge de l'électron.

De nombreuses études menées précédemment ont tenté, en vain, de trouver des particules millichargées, soit directement, auprès d'expériences avec ou hors collisionneur, soit indirectement, à l'aide d'observations astronomiques. Mais les particules millichargées ayant des masses comprises entre 1 milliard d’électronvolts (GeV) et 100 Gev ont été peu étudiées, les détecteurs actuels n'étant pas suffisamment sensibles à de telles particules.

Le détecteur proposé, appelé milliQan, pourrait donc bien changer la donne. Ce détecteur serait sensible aux particules millichargées de 1 à 100 GeV produites dans les collisions proton-proton au LHC, grâce au flash lumineux créé à l'intérieur du détecteur par le passage de ces particules. Ce détecteur doit encore être approuvé, puis construit. Toutefois, le détecteur de démonstration installé au LHC en 2017, qui représente 1 % du détecteur complet et qui a collecté des données en 2018, fournit à présent des résultats prometteurs.

Les données prises par le détecteur de démonstration milliQan permettent d'exclure l'existence de particules millichargées dont les masses iraient de 20 à 4 700 MeV pour des charges comprises entre 0,006 et 0,3 fois la charge de l'électron, en fonction de la masse. Ces résultats concordent avec ceux obtenus précédemment par d'autres expériences, et représentent la première incursion d'un collisionneur de hadrons sur le territoire des particules dotées d'une charge inférieure à 0,1 fois celle de l'électron.

« Nous sommes très heureux des résultats obtenus avec le détecteur de démonstration. Il a de toute évidence permis d'atteindre l'objectif initial, à savoir nous donner un retour sur sa conception et nous familiariser avec son fonctionnement. Parvenir à démontrer qu'avec un prototype représentant 1 % seulement du détecteur complet, il était possible de placer de nouvelles limites aux propriétés des particules millichargées a été la cerise sur le gâteau. Nous avons maintenant bon espoir que le détecteur complet fonctionnera comme prévu et donnera les résultats attendus, et nous avons hâte de trouver le financement requis pour que cela se concrétise », a déclaré Chris Hill, l'un des porte-paroles de la collaboration milliQan.


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