ATLAS observe un phénomène rare faisant du LHC un collisionneur de photons de haute énergie

Aug 13, 2020

À l'occasion de la conférence internationale sur la physique des hautes énergies (ICHEP 2020), la collaboration ATLAS a fait état de la première observation de collisions de photons produisant des paires de bosons W – des particules élémentaires porteuses de la force faible, l'une des quatre forces fondamentales qui régissent l’Univers. Ce résultat montre que le LHC peut être utilisé d’une nouvelle manière, en tant que collisionneur de photons de haute énergie, pour une étude directe des interactions électrofaibles. Il confirme l'une des principales prédictions de la théorie électrofaible, à savoir que les particules porteuses de force peuvent interagir avec elles-mêmes, et ouvre la voie à de nouveaux moyens d’exploration.

Selon les lois de l'électrodynamique classique, le croisement de deux faisceaux de lumière ne devrait pas induire de déviation, d’absorption ou de perturbations mutuelles. Toutefois, des interactions entre photons sont possibles via les effets de l'électrodynamique quantique (QED), la théorie qui explique comment la lumière interagit avec la matière.

Ce n'est pas la première fois que les interactions entre photons sont étudiées au LHC. Par exemple, la diffusion lumière-lumière, dans laquelle deux photons interagissent en produisant deux autres photons, est l'une des plus anciennes prédictions de la QED. L'expérience ATLAS a observé en 2017 le premier signe direct de la diffusion lumière-lumière, en exploitant les forts champs électromagnétiques entourant les ions plomb dans les collisions plomb-plomb de haute énergie. En 2019 et 2020, elle a étudié ce processus de façon plus approfondie en mesurant ses propriétés.

Le nouveau résultat présenté lors de la conférence ICHEP manifeste un autre phénomène rare dans lequel deux photons interagissent pour produire deux bosons W de charges électriques opposées via (entre autres) l'interaction de quatre particules porteuses de force[1]. Des photons quasi-réels issus de faisceaux de protons rebondissent les uns contre les autres pour produire une paire de bosons W. Une première étude de ce phénomène, reposant sur des données enregistrées durant la première période d'exploitation du LHC, avait été présentée par ATLAS et CMS en 2016, mais les expériences avaient alors besoin d'un plus grand volume de données pour pourvoir observer le phénomène sans ambiguïté. 

L'observation a été faite avec une signification statistique élevée, de 8,4 écarts-types, indiquant une infime probabilité qu'elle soit due à une fluctuation statistique. Les scientifiques d'ATLAS ont utilisé un ensemble de données considérablement plus important, recueilli durant la deuxième période d'exploitation du LHC, laquelle a duré quatre ans et s'est achevée en 2018. Ils ont ensuite mis au point une méthode d'analyse adaptée.

Du fait de la nature du processus d'interaction, les seules traces de particules visibles dans le détecteur central sont les produits de la désintégration de deux bosons W, à savoir un électron et un muon de charges électriques opposées. Des paires de bosons W peuvent aussi être produites directement à partir d'interactions entre quarks et gluons dans des protons en collision, et ce processus est beaucoup plus fréquent que la production à partir d'interactions photon-photon, mais il s'accompagne alors de traces supplémentaires issues de processus de l'interaction forte. Pour pouvoir observer ce phénomène rare, les scientifiques d'ATLAS ont par conséquent dû isoler avec soin les traces des collisions.   

« Cette observation ouvre de nouvelles perspectives d'expérimentation auprès du LHC au moyen de photons dans leur état initial, explique Karl Jakobs, porte-parole de la collaboration ATLAS. Elle est inédite dans la mesure où elle fait intervenir uniquement des couplages entre particules porteuses de la force électrofaible dans l'environnement du LHC, dominé par l'interaction forte. En disposant de plus gros volumes de données, il sera possible de sonder de façon distincte la structure de jauge électrofaible et d’étudier de possibles contributions d'une nouvelle physique. »

Ce nouveau résultat confirme en effet l'une des principales prédictions de la théorie électrofaible, à savoir que les particules porteuses de force, également appelées bosons de jauge (le boson W, le boson Z et le photon), en plus d'interagir avec les particules ordinaires de la matière, interagissent également les unes avec les autres. Les collisions de protons offriront un nouveau moyen de mettre à l'épreuve le Modèle standard et d'explorer une nouvelle physique, afin de mieux comprendre notre Univers.

Liens utiles :


[1]L'interaction entre les quatre particules de force est l'une des prédictions de la théorie électrofaible, qui explique comment ces particules, également appelées bosons de jauge, interagissent non seulement avec les particules de matière, mais aussi les unes avec les autres.


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