Les particules élémentaires de la nouvelle physique théorique doivent être si massives que leur détection dans le LHC, le plus grand accélérateur moderne, ne sera pas possible. C'est la conclusion pessimiste de l'examen le plus complet des données d'observation de nombreuses expériences scientifiques et de leur confrontation avec plusieurs variétés populaires de la théorie de la supersymétrie. Le compliqué, analyse extrêmement exigeante en termes de calcul, réalisée par la Collaboration internationale GAMBIT, laisse une ombre d'espoir aux chercheurs.

GAMBIT est l'outil d'inférence global et modulaire au-delà du modèle standard. Les chercheurs se demandent maintenant s'il est possible pour le LHC de détecter les particules élémentaires proposées pour expliquer des mystères tels que la nature de la matière noire et le manque de symétrie entre la matière et l'antimatière. Pour répondre à cette question, GAMBIT analyse de manière exhaustive les données collectées lors des exécutions du LHC. Les premiers résultats, qui intriguent assez les physiciens, viennent d'être publiés dans le Revue Physique Européenne C . L'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie a participé aux travaux de l'équipe.

Les physiciens théoriciens sont convaincus que le modèle standard, le courant, théorie bien vérifiée de la structure de la matière, doit être élargi. Un indicateur fort de l'existence de particules élémentaires inconnues est le mouvement des étoiles dans les galaxies. L'astronome polonais Marian Kowalski a été le premier à étudier les caractéristiques statistiques de ces mouvements. En 1859, il a découvert que les mouvements des étoiles proches de nous ne peuvent pas être expliqués par le mouvement du soleil lui-même. Ce fut la première indication de la rotation de la Voie lactée (Kowalski est donc l'homme qui "a déplacé la galaxie entière depuis ses fondations"). En 1933, l'astrophysicien suisse Fritz Zwicky est passé à l'étape suivante. De son observation des galaxies dans l'amas de Coma, il a conclu qu'ils se déplacent autour des amas comme s'il y avait là une grande quantité de matière invisible.

Bien que près d'un siècle se soit écoulé depuis la découverte de Zwicky, il n'est toujours pas possible d'étudier la composition de la matière noire, ni même de confirmer sans ambiguïté son existence. Sur cette période, les théoriciens ont construit de nombreuses extensions du modèle standard contenant des particules plus ou moins exotiques. Beaucoup d'entre eux sont des candidats à la matière noire. La famille des théories supersymétriques est populaire, par exemple. Ici, certains nouveaux équivalents de particules connues qui sont massives et interagissent faiblement avec la matière ordinaire constituent la matière noire. Naturellement, de nombreux groupes de physiciens expérimentateurs recherchent également des traces de cette nouvelle physique. Chacune d'entre elles, sur la base d'hypothèses théoriques, réalise un certain projet de recherche, puis s'occupe de l'analyse et de l'interprétation des données qui en découlent. Cela se fait presque toujours dans le cadre d'un, généralement assez étroit, domaine de la physique, et une théorie pour ce qui pourrait être au-delà du modèle standard.

"L'idée de la Collaboration GAMBIT est de créer des outils d'analyse des données d'un maximum d'expériences, de différents domaines de la physique, et de les comparer de très près avec les prédictions de nouvelles théories. En regardant de manière globale, il est possible de restreindre les domaines de recherche de la nouvelle physique beaucoup plus rapidement, et au fil du temps éliminer également les modèles dont les prédictions n'ont pas été confirmées par des mesures, " explique le Dr Marcin Chrzaszcz (FIJ PAN).

L'idée de construire un ensemble d'outils logiciels modulaires pour l'analyse globale des données d'observation issues d'expériences physiques est née en 2012 à Melbourne lors d'une conférence internationale sur la physique des hautes énergies. Actuellement, le groupe GAMBIT comprend plus de 30 chercheurs d'institutions scientifiques en Australie, La France, Espagne, les Pays-Bas, Canada, Norvège, Pologne, les États Unis, La Suisse, Suède et Grande-Bretagne. Le Dr Chrzaszcz a rejoint l'équipe GAMBIT il y a trois ans afin de développer des outils pour modéliser la physique des quarks massifs, avec une référence particulière aux quarks de beauté (généralement ce domaine de la physique a un nom beaucoup plus accrocheur :la physique des saveurs lourdes).

La vérification des nouvelles propositions de physique a lieu dans la collaboration GAMBIT comme suit :les scientifiques choisissent un modèle théorique et l'intègrent dans le logiciel. Le programme scanne ensuite les valeurs des principaux paramètres du modèle. Pour chaque jeu de paramètres, les prédictions sont calculées et comparées aux données des expériences.

"En pratique, rien n'est anodin ici. Il existe des modèles pour lesquels nous avons jusqu'à 128 paramètres libres. Imaginez numériser dans un espace de 128 dimensions, c'est quelque chose qui tue tous les ordinateurs. Par conséquent, au début, nous nous sommes limités à trois versions de modèles supersymétriques plus simples, connu sous les abréviations CMSSM, NUHM1 et NUHM2. Ils en ont cinq, six et sept paramètres libres, respectivement. Mais les choses se compliquent quand même, car, par exemple, nous ne connaissons que certains des autres paramètres du modèle standard avec une certaine précision. Par conséquent, ils doivent aussi être traités comme des paramètres libres, ne changeant que dans une moindre mesure que les nouveaux paramètres physiques, " dit le Dr Chrzaszcz.

L'ampleur du défi est mieux démontrée par le temps total pris pour tous les calculs de la collaboration GAMBIT à ce jour. Elles ont été réalisées sur le supercalculateur Prométhée, l'un des ordinateurs les plus rapides au monde. Le dispositif, opérant au Centre Informatique Académique CYFRONET de l'Université des Sciences et Technologies de Cracovie, a plus de 53, 000 cœurs de traitement et une puissance de calcul totale de 2, 399 téraflops (un million de millions d'opérations en virgule flottante par seconde). Malgré l'utilisation d'un équipement aussi puissant, le temps de travail total des cœurs de la collaboration GAMBIT s'élevait à 80 millions d'heures (plus de 9, 100 ans).

"De si longs calculs sont, entre autres, conséquence de la diversité des données mesurées. Par exemple, les groupes des principales expériences du LHC publient exactement les résultats mesurés par les détecteurs. Mais chaque détecteur déforme ce qu'il voit d'une certaine manière. Avant de comparer les données avec les prédictions du modèle en cours de vérification, les distorsions introduites par le détecteur doivent en être supprimées, " explique le Dr Chrzaszcz, et ajoute, « Du côté de l'astrophysique, nous devons effectuer une procédure similaire. Par exemple, des simulations devraient être effectuées sur la façon dont les nouveaux phénomènes physiques affecteraient le comportement du halo galactique de la matière noire. »

Pour les chercheurs de nouvelle physique, la collaboration GAMBIT n'apporte pas les meilleures nouvelles. Les analyses suggèrent que si les particules supersymétriques prédites par les modèles étudiés existent, leurs masses doivent être de l'ordre de plusieurs téraélectronvolts (en physique des particules, la masse des particules est donnée en unités d'énergie, un électronvolt correspond à l'énergie nécessaire pour déplacer l'électron entre des points avec une différence de potentiel d'un volt). En pratique, cela signifie que voir de telles particules au LHC sera soit très difficile, soit même impossible. Mais il y a aussi une ombre d'espoir. Quelques superparticules, neutralinos, charginos, staus et s'arrête, bien qu'ayant des masses assez importantes, ne pas dépasser un téraélectronvolt. Avec un peu de chance, leur détection dans le LHC reste possible. Malheureusement, dans ce groupe, seul le neutralino est considéré comme un candidat potentiel pour la matière noire.

Contrairement à de nombreux autres outils de recherche analytique, les codes de tous les modules GAMBIT sont accessibles au public sur le site du projet et peuvent être rapidement adaptés à l'analyse de nouveaux modèles théoriques. Les chercheurs de la collaboration GAMBIT espèrent que l'ouverture du code accélérera la recherche d'une nouvelle physique.