19 février 2018 | La Revue POLYTECHNIQUE 12/2017 | Physique

Le LHC déstabilise le mécanisme de la bascule

Matthew Chalmers*

Pour la plupart d’entre nous, les balançoires à bascule sont un souvenir d’enfance. Pour les physiciens théoriciens, leur principe de fonctionnement pourrait servir à expliquer l’un des plus grands mystères de la physique des particules: pourquoi les neutrinos sont-ils si étonnamment légers ? Des expériences auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN sont en train d’explorer ce mécanisme au nom étrange.

Le neutrino a été découvert il y a 60 ans. On a longtemps considéré que sa masse était nulle. Les expériences de la fin des années 1990 ont toutefois montré que sur un parcours donné, le neutrino change de saveur, ce qui signifie que sa masse, bien que minuscule, n’est pas nulle. Le pourquoi de cette anomalie, qui contredit le Modèle standard, est un mystère. La plupart des autres particules élémentaires acquièrent leur masse par une interaction avec le boson de Higgs: plus l’interaction est forte, plus la particule est lourde. Mais de nombreux physiciens ont du mal à admettre l’hypothèse que le boson de Higgs puisse interagir si faiblement avec le neutrino, que la masse de celui-ci soit au moins un million de fois plus petite que celle de l’électron, déjà très faible.

Des membres de la collaboration CMS effectuant des travaux sur le détecteur.
(Image: Maximilien Brice/CERN)

Un rapport mathématique entre le neutrino et une particule extra-lourde

Le mécanisme de la bascule, imaginé dans les années 1980, repose sur un rapport mathématique entre le neutrino ordinaire et un type de particule extra-lourde, invisible, ayant des effets étranges: le neutrino que nous connaissons est en quelque sorte propulsé vers le haut par la particule plus lourde qui pèse sur l’autre extrémité de la bascule. Si l’on parvenait à démontrer que ces acrobaties mathématiques expliquent l’infime masse des neutrinos, on ouvrirait la porte sur un monde regorgeant de nouvelles particules et de phénomènes au-delà du Modèle standard, voire sur une théorie unifiée des forces fondamentales.

CMS se plonge dans le mystère de la masse des neutrinos

Les chercheurs de la collaboration CMS du CERN ont sondé des milliards de collisions proton-proton produites par le LHC à une énergie de 13 TeV, en quête d’indices de ces particules plus lourdes qui contrebalancent les neutrinos. Plus précisément, ils ont testé une version du mécanisme de la bascule (dit de type III), qui prévoit un triplet composé de deux particules chargées lourdes et d’une particule neutre. Celle-ci révèlerait leur présence dans l’expérience CMS en se désintégrant en particules déjà connues, telles que des bosons de Higgs et des électrons. Des expériences auprès du LHC ont également testé le mécanisme de la bascule de type I, le premier imaginé, qui prévoit l’existence de neutrinos lourds «stériles» n’interagissant pas du tout avec la matière connue.

Aucun indice signalant des particules lourdes

S’appuyant sur des résultats précédemment obtenus par CMS et par ATLAS, l’autre expérience du LHC pour des collisions à plus basses énergies, CMS n’a détecté aucun indice signalant des particules chargées lourdes qui pourraient être associées au mécanisme de la bascule, et exclut la possibilité de l’existence de ces particules en-dessous de 840 GeV. D’après l’équipe de recherche, ces contraintes sont les plus restrictives qu’on n’ait jamais pu déterminer concernant les masses des particules du mécanisme de la bascule de type III.

Les résultats de l’expérience CMS ont été décrits dans une prépublication (arXiv:1708.07962) et ont été soumis à la revue Physics Review Letters.