Annonce des premières preuves expérimentales pour le quark top
Les physiciens annoncent la première preuve de la particule subatomique du quark top
Top Quark, la dernière pièce du puzzle de la matière, semble être en place
La quête commencée par les philosophes de la Grèce antique pour comprendre la nature de la matière s’est peut-être terminée à Batavia, dans l’Illinois, avec la découverte de preuves du quark top, le dernier des 12 blocs de construction subatomiques dont on pense maintenant qu’ils constituent tout le monde matériel.
Une équipe internationale de 439 scientifiques travaillant au Fermi National Accelerator Laboratory annoncera la découverte aujourd’hui, mettant près de deux décennies de recherche à une conclusion spectaculaire.
La découverte, selon toute vraisemblance, ne fera jamais de différence dans la vie de tous les jours, mais c’est une grande réussite intellectuelle car le modèle standard, qu’il semble valider, est essentiel pour comprendre la nature du temps, de la matière et de l’univers. « Ce qui est excitant, c’est qu’il s’agit de la dernière pièce de matière telle que nous la connaissons, telle que prédite par la cosmologie et le modèle standard de la physique des particules », a déclaré le Dr David N. Schramm, physicien théoricien à l’Université de Chicago. entretien. « C’est la dernière pièce de ce puzzle. » Le Dr Hans A. Bethe, lauréat du prix Nobel de physique à l’Université Cornell, a déclaré que la découverte était « un très gros problème » qui « rend l’image globale des particules sous-nucléaires beaucoup plus crédible et mieux établie ».
« Nous avions besoin du quark top », a-t-il déclaré. « Il figure dans tous nos calculs pour les processus ultérieurs, et aucun d’entre eux n’aurait raison s’il n’était pas là. » Si le quark top ne pouvait pas être trouvé, le modèle standard des physiciens théoriciens s’effondrerait, déclenchant une crise intellectuelle qui obligerait les scientifiques à repenser trois décennies de travail dans lequel les gouvernements du monde entier avaient investi plusieurs milliards de dollars.
Toute matière est faite d’atomes, mais il y a près d’un siècle, les physiciens ont découvert que les atomes, longtemps considérés comme les plus petites unités de matière, étaient eux-mêmes composés de particules subatomiques plus petites comme les protons et les neutrons. Mais ces particules ont montré plus tard des signes qu’elles étaient constituées de blocs de construction encore plus petits. Le domaine a été plongé dans la confusion pendant de nombreuses années jusqu’à ce qu’une grande théorie unificatrice lancée par le Dr Murray Gell-Mann, physicien au California Institute of Technology, cherche à expliquer la structure des particules comme les protons et les neutrons en termes de nouvelles unités qu’il quarks aux noms fantaisistes.
Trois professeurs de physique de l’Université Purdue et plusieurs étudiants et boursiers postdoctoraux de Purdue font partie des plus de 400 chercheurs de 35 institutions qui ont annoncé aujourd’hui (mardi 26/04) de nouveaux résultats dans la recherche du quark top.
Les physiciens du Fermi National Accelerator Laboratory du département américain de l’Énergie à Batavia, III., ont présenté la première preuve directe du quark top, une particule subatomique qui est le dernier quark non découvert des six prédits par la théorie scientifique actuelle. Les scientifiques du monde entier ont recherché des preuves expérimentales du quark top depuis la découverte de son « partenaire », le quark bottom, au Fermilab en 1977.
« Depuis près de 20 ans, les scientifiques ont hâte de trouver et d’étudier le quark top parce que sa découverte serait un merveilleux achèvement de ce qu’on appelle le modèle standard », a déclaré Virgil E. Barnes, professeur de physique à Purdue et membre du collaboration. « Le modèle standard est la théorie dominante décrivant les particules et les forces qui déterminent la nature fondamentale de la matière et de l’énergie. »
Sur la base de ces nouvelles preuves, les chercheurs se sont abstenus de revendiquer la découverte du quark top.
« Ce n’est pas tout à fait une découverte officielle, mais il est clair que nous avons trouvé des preuves solides pour le quark top », a déclaré Barnes.
Toute matière dans l’univers est composée de particules subatomiques appelées quarks et leptons. On pense qu’il en existe six de chaque type. Les protons, les neutrons et tous les noyaux des atomes sont composés de quarks.
Un document de recherche soumis à The Physical Review par la collaboration de 440 membres Collider Detector at Fermilab (CDF) présente des preuves de la production de quarks top dans des collisions à haute énergie entre protons et antiprotons, leurs homologues de l’antimatière. Les expériences ont été réalisées à l’accélérateur de particules Tevatron du Laboratoire Fermi.
Au Fermilab, les quarks top peuvent être créés par l’énergie libérée lors des collisions entre des faisceaux de protons et d’antiprotons qui sont accélérés par l’accélérateur de particules à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. Dans de telles collisions, un quark top et son partenaire antimatière sont produits ensemble dans ce que les physiciens appellent un événement. Le quark top se désintègre presque immédiatement en d’autres particules. Le produit final se manifeste sous la forme d’une colonne, ou d’un jet, de particules dans un détecteur. Les informations de la collision sont introduites dans des ordinateurs à grande vitesse, qui effectuent des analyses supplémentaires.
En plus de prendre et d’analyser les données de l’expérience, les chercheurs de Purdue ont joué un rôle déterminant dans la conception et la construction du détecteur de collisionneur au Fermilab.
L’affiliation de Purdue avec Fermilab a commencé en 1978, a déclaré Arthur F. Garfinkel, membre de la collaboration qui est professeur de physique à Purdue depuis 1967.
« Une grande partie du détecteur a été fabriquée à Purdue et assemblée au Fermilab, y compris le grand calorimètre utilisé pour détecter l’énergie des particules », a déclaré Garfinkel, qui, avec Barnes, a travaillé sur la conception originale. « Le calorimètre se compose de quatre arcs, chacun avec 12 pièces, et chaque arc pèse environ 13 tonnes. Dans les années 1980, le corps professoral et les étudiants de Purdue ont participé à la construction de ce détecteur, et ils continuent de travailler avec la grande collaboration internationale sur les mises à niveau du l’équipement et la recherche. »
Les chercheurs du Laboratoire Fermi ont utilisé des données recueillies entre août 1992 et juin 1993 pour effectuer trois recherches du quark top. Au cours de cette analyse de données, environ un billion de collisions proton-antiproton se sont produites dans le détecteur du collisionneur. Parmi ceux-ci, 16 millions ont été enregistrés et plus tard entièrement analysés. Parmi ceux-ci figurent les 12 événements candidats au quark top rapportés aujourd’hui.
Les chercheurs de Purdue ont déclaré que l’identification des 12 événements possibles du quark top est importante car le nombre de candidats est plus grand que prévu à partir du « fond », qui peut imiter la désintégration du quark top.
« En utilisant un appareil appelé détecteur de vertex au silicium, nous avons pu réduire le niveau de fond pour améliorer les événements les plus intéressants », a expliqué Daniela Bortoletto, professeure adjointe de physique à Purdue et membre de la collaboration. « Nous n’avions pas ce détecteur lors des précédentes prises de données. Il nous a donné une meilleure prise en main pour retirer l’aiguille de la botte de foin en faisant ressortir le signal plus clairement. »
La meilleure estimation de la collaboration est qu’il y a environ une chance sur 400 que l’effet soit dû à des fluctuations statistiques aléatoires en arrière-plan. Bien que cela semble être très faible, les scientifiques ont généralement besoin d’une probabilité plus faible d’une fluctuation de fond avant qu’un nouveau phénomène ne soit fermement établi.
« Les chances que la nature nous trompe sont assez minces », a déclaré Barnes. « D’un autre côté, pour une nouvelle découverte, les gens ont besoin de très bonnes cotes, et une sur 400 n’est pas assez bonne pour la rendre officielle. »
Les chercheurs s’attendent à ce que la prise de données actuellement en cours au Fermilab produise suffisamment d’événements supplémentaires au cours des 15 à 24 prochains mois pour confirmer l’existence du quark top et permettre des mesures plus précises de sa masse.
« Nous devons d’abord être absolument certains qu’il ne s’agit pas simplement d’une fluctuation de fond », a déclaré Garfinkel. « Une fois que nous aurons suffisamment de sommets pour vraiment cerner sa masse et d’autres propriétés, nous aurons alors des indices qui pourraient nous aider à comprendre le processus par lequel tous les objets acquièrent de la masse. »
Malgré des recherches intensives dans des laboratoires d’accélérateurs en Europe, au Japon et aux États-Unis, le quark top a échappé à la découverte en raison de sa grande masse par rapport aux autres particules subatomiques. Plus une particule subatomique est massive, plus il faut d’énergie pour la produire lors de collisions, et plus elle est difficile à trouver.
« Ce n’est que le premier chapitre d’un long livre », a ajouté Garfinkel. « L’étude des propriétés du quark top est vraiment le début d’une nouvelle ère en physique des particules. C’est assez excitant. »
En plus de Barnes, Bortoletto et Garfinkel, les membres actuels de Purdue de la collaboration CDF sont les boursiers postdoctoraux Alvin Laasanen, Mark Shaw et Qifeng Shen; et les étudiants diplômés Mark Bailey, Adam Hardman, Kara Hoffman, Mark Kruse et James Tonnison.
Outre des scientifiques américains, la collaboration CDF comprend des physiciens italiens et japonais, ainsi que des chercheurs canadiens et taïwanais. Le Fermilab a été créé en 1967 en tant que laboratoire de recherche en physique des hautes énergies. Il est exploité par Universities Research Association Inc. sous contrat avec le US Department of Energy.
Annonce des premières preuves expérimentales pour le quark top
L’expérience a été réalisée au Tevatron du Fermi National Accelerator Laboratory, le collisionneur le plus puissant du monde, par la collaboration Collider Detector at Fermilab (CDF) composée de 440 membres. Bien que ne prétendant pas à une découverte confirmée, le groupe CDF rapporte que l’analyse des collisions à haute énergie entre des faisceaux de protons et d’antiprotons « indique fortement » la production de quarks top à une masse d’environ 174 GeV (milliards d’électronvolts), soit environ aussi lourd qu’un atome d’or et fait du quark top la particule élémentaire de loin la plus lourde jamais observée.
Le groupe CDF a présenté ses résultats dans un article soumis à The Physical Review .
L’existence du quark top est requise par le modèle standard, la théorie dominante de la nature de la matière. Cette théorie soutient qu’il y a six quarks, regroupés en trois paires distinctes, qui se combinent pour former des particules composites, telles que les protons et les neutrons dans les noyaux des atomes. Le cinquième de ces six, appelé quark bottom, a été découvert au Laboratoire Fermi en 1977. Depuis lors, les scientifiques recherchent son partenaire, le quark top.
« Nous étions convaincus que nous finirions par trouver le quark top », explique Lina Galtieri, une physicienne qui dirige le groupe CDF au LBL. « Cependant, si nous étions allés beaucoup plus haut sans le trouver, nous devions peut-être nous demander si quelque chose n’allait pas avec le modèle standard. »
La clé pour révéler l’existence du quark top était le détecteur CDF, qui est en fait un réseau de 2 000 tonnes de plus de 100 000 détecteurs de particules individuels disposés autour d’un point du Tevatron où les faisceaux de protons et d’antiprotons entrent en collision. Ce système de détection sert de piège géant d’où aucune particule connue (autre que les neutrinos) ou forme d’énergie ne peut s’échapper.
Lorsqu’un quark top se forme, il se désintègre rapidement en un quark bottom et un boson W, qui est l’une des deux particules porteuses de la force nucléaire faible. En utilisant des données recueillies entre 1992 et 1993 qui comprenaient 16 millions de collisions proton-antiproton entièrement analysées, le groupe CDF a effectué trois recherches distinctes pour le quark top en fonction des différentes manières dont les quarks bottom et les bosons W (qui se désintègrent également rapidement) sont détectés. La combinaison des résultats des trois recherches a fourni des preuves de la production du quark top.
« Il est possible que nous assistions à une fluctuation statistique rare », dit Galtieri, « mais nous avons une bonne indication que le quark top pourrait être là. »
Les physiciens et les ingénieurs du LBL ont conçu une micropuce sophistiquée pour le Silicon Vertex Detector, un instrument à très haute résolution au cœur du réseau CDF qui a permis une identification et un suivi précis des quarks du fond. Le groupe de Galtieri a également analysé les données CDF pour déterminer la masse des quarks top candidats. Cette analyse était basée sur une technique développée au LBL dans les années 1960 par le groupe de recherche dirigé par feu le lauréat du prix Nobel Luis Alvarez.
« Les nouvelles preuves du CDF ne mettent pas fin à l’histoire mais donnent plutôt les premières indications d’un nouveau domaine de recherche », déclare William Carithers, physicien du LBL et co-porte-parole du CDF. « Beaucoup pensent que de nouveaux phénomènes sont susceptibles d’apparaître à des masses plus élevées et que le quark top est la particule la plus massive que nous connaissions jusqu’à présent. »
Le groupe CDF s’attend à ce que de nouvelles données provenant d’une autre expérience au Tevatron actuellement en cours produiront suffisamment de quarks top supplémentaires cette année pour confirmer l’existence de la particule et permettre une mesure plus précise de sa masse. Si la masse extrêmement grande déjà rapportée est correcte, cela peut aider les scientifiques à mieux comprendre le processus par lequel tous les objets acquièrent une masse.
Les membres de l’équipe CDF de LBL comprenaient, outre Galtieri et Carithers, Willi Chinowski, Bob Ely, Kevin Einsweiler, Richard Kadel, Carl Haber, Young Kee Kim, Jeremy Lys, Manfried Paulini, Marjorie Shapiro, Hans Wenzel et Weiming Yao. Les étudiants participants de l’Université de Californie à Berkeley comprenaient Bill Ashmanskas, Matt Austen, Mark Peters et William Wester.
Le LBL et le Fermilab sont des laboratoires nationaux du département américain de l’énergie. LBL est situé à Berkeley, en Californie et est géré par l’Université de Californie. Fermilab est situé à Batavia, Illinois (environ 30 miles à l’ouest de Chicago) et est géré par Universities Research Association, Inc.
Faits et chiffres sur le LHC
Le Large Hadron Collider (LHC) est l’accélérateur de particules le plus puissant jamais construit. L’accélérateur se trouve dans un tunnel à 100 mètres sous terre au CERN, l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, à la frontière franco-suisse près de Genève, en Suisse.
Qu’est-ce que le LHC ? Le LHC est un accélérateur de particules qui pousse des protons ou des ions à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. Il se compose d’un anneau de 27 kilomètres d’aimants supraconducteurs avec un certain nombre de structures accélératrices qui augmentent l’énergie des particules en cours de route.
Pourquoi s’appelle-t-il le « Large Hadron Collider » ?
- « Grand » fait référence à sa taille, environ 27 km de circonférence
- « Hadron » car il accélère les protons ou les ions, qui appartiennent au groupe de particules appelées hadrons
- « Collider » car les particules forment deux faisceaux se déplaçant dans des directions opposées, qui sont amenés à entrer en collision en quatre points autour de la machine
Comment fonctionne le LHC ?
- Le complexe d’accélérateurs du CERN est une succession de machines aux énergies de plus en plus élevées. Chaque machine accélère un faisceau de particules à une énergie donnée avant d’injecter le faisceau dans la machine suivante de la chaîne. Cette machine suivante amène le faisceau à une énergie encore plus élevée et ainsi de suite. Le LHC est le dernier élément de cette chaîne, dans laquelle les faisceaux atteignent leurs énergies les plus élevées.
- À l’intérieur du LHC, deux faisceaux de particules voyagent à une vitesse proche de la vitesse de la lumière avant d’entrer en collision. Les faisceaux se déplacent dans des directions opposées dans des tubes de faisceau séparés – deux tubes maintenus sous ultravide . Ils sont guidés autour de l’anneau de l’accélérateur par un fort champ magnétique entretenu par des électroaimants supraconducteurs . En dessous d’une certaine température caractéristique, certains matériaux entrent dans un état supraconducteur et n’offrent aucune résistance au passage du courant électrique. Les électroaimants du LHC sont donc refroidis à -271,3 °C (1,9 K) – une température plus froide que celle de l’espace extra-atmosphérique – pour profiter de cet effet. L’accélérateur est relié à un vaste système de distribution d’hélium liquide, qui refroidit les aimants, ainsi qu’à d’autres services d’approvisionnement.
Quels sont les principaux objectifs du LHC ?Le modèle standard de la physique des particules – une théorie développée au début des années 1970 qui décrit les particules fondamentales et leurs interactions – a prédit avec précision une grande variété de phénomènes et a jusqu’à présent expliqué avec succès presque tous les résultats expérimentaux en physique des particules. Mais le modèle standard est incomplet. Il laisse de nombreuses questions ouvertes, auxquelles le LHC contribuera à répondre.
Quelle est l’origine de la masse ? Le modèle standard n’explique pas les origines de la masse, ni pourquoi certaines particules sont très lourdes alors que d’autres n’ont pas de masse du tout. Cependant, les théoriciens Robert Brout, François Englert et Peter Higgs ont fait une proposition qui devait résoudre ce problème. Le mécanisme de Brout-Englert-Higgs donne une masse aux particules lorsqu’elles interagissent avec un champ invisible, désormais appelé « champ de Higgs », qui imprègne l’univers. Les particules qui interagissent intensément avec le champ de Higgs sont lourdes, tandis que celles qui ont de faibles interactions sont légères. À la fin des années 1980, des physiciens ont commencé la recherche du boson de Higgs, la particule associée au champ de Higgs. En juillet 2012, le CERN a annoncé la découverte du boson de Higgs, qui a confirmé le mécanisme de Brout-Englert-Higgs. Cependant, le trouver n’est pas la fin de l’histoire, et les chercheurs doivent étudier le boson de Higgs en détail pour mesurer ses propriétés et identifier ses désintégrations plus rares.
Que sont la matière noire et l’énergie noire ? La matière que nous connaissons et qui compose toutes les étoiles et galaxies ne représente que 4% du contenu de l’univers. La recherche est alors encore ouverte pour les particules ou phénomènes responsables de la matière noire (23%) et de l’énergie noire (73%).
Pourquoi y a-t-il beaucoup plus de matière que d’antimatière dans l’univers ? La matière et l’antimatière ont dû être produites dans les mêmes quantités au moment du Big Bang, mais d’après ce que nous avons observé jusqu’à présent, notre Univers n’est fait que de matière.
Comment le plasma quark-gluon donne-t-il naissance aux particules qui constituent la matière de notre Univers ? Une partie de chaque année, le LHC permet des collisions entre ions plomb, recréant des conditions similaires à celles juste après le Big Bang. Lorsque des ions lourds entrent en collision à haute énergie, ils forment un instant le plasma quark-gluon, une « boule de feu » de matière chaude et dense qui peut être étudiée par les expériences.
Comment le LHC a-t-il été conçu ?
Les scientifiques ont commencé à penser au LHC au début des années 1980, alors que le précédent accélérateur, le LEP , ne fonctionnait pas encore. En décembre 1994, le Conseil du CERN a voté en faveur de la construction du LHC et en octobre 1995, le rapport de conception technique du LHC a été publié.
Les contributions du Japon, des États-Unis, de l’Inde et d’autres États non membres ont accéléré le processus et entre 1996 et 1998, quatre expériences ( ALICE , ATLAS , CMS et LHCb ) ont reçu l’approbation officielle et les travaux de construction ont commencé sur les quatre sites.
https://www2.lbl.gov/Science-Articles/Archive/top-quark-first-evidence.html
https://www.purdue.edu/uns/html3month/1990-95/940426.Garfinkel.quark.html
https://home.cern/resources/faqs/facts-and-figures-about-lhc