Dans un tunnel circulaire de 27 km sous la frontière entre la France et la Suisse, une collaboration internationale de scientifiques mène des expériences en utilisant l'instrument scientifique le plus avancé au monde, le Grand collisionneur de hadrons (LHC). En brisant ensemble des protons qui voyagent près de la vitesse de la lumière, les physiciens des particules analysent ces collisions et en apprennent davantage sur la composition fondamentale de toute la matière de l'univers. Dans les années récentes, par exemple, ces expériences ont montré des données menant au prix Nobel pour la découverte du boson de Higgs.

Maintenant, une équipe de physiciens expérimentaux des particules de haute énergie, dont plusieurs de l'Université du Kansas, a découvert des preuves possibles d'une quasiparticule subatomique surnommée un "odderon" qui, jusqu'à présent, n'avait été théorisée que pour exister. Leurs résultats sont actuellement publiés sur les serveurs de préimpression arXiv et CERN dans deux articles qui ont été soumis à des revues à comité de lecture.

"Nous recherchions cela depuis les années 1970, " a déclaré Christophe Royon, Foundation Distinguished Professor au département de physique et d'astronomie de la KU.

Les nouvelles découvertes concernent les hadrons (la famille de particules qui comprend les protons et les neutrons), qui sont composés de quarks "collés" avec des gluons. Ces expériences particulières impliquent des "collisions" où les protons restent intacts après la collision. Dans toutes les expériences précédentes, les scientifiques ont détecté des collisions impliquant uniquement des nombres pairs de gluons échangés entre différents protons.

"Les protons interagissent comme deux gros semi-camions qui transportent des voitures, le genre que vous voyez sur l'autoroute, " a déclaré Timothée Raben, un théoricien des particules à la KU qui a travaillé sur l'odderon. "Si ces camions s'écrasaient ensemble, après le crash tu aurais toujours les camions, mais les voitures seraient maintenant dehors, plus à bord des camions - et aussi de nouvelles voitures sont produites (l'énergie est transformée en matière)."

Dans le nouveau journal, les chercheurs utilisant plus d'énergie et observant les collisions avec plus de précision rapportent des preuves potentielles d'un nombre impair de gluons, sans quarks, échangé dans les collisions.

"Jusqu'à maintenant, la plupart des modèles pensaient qu'il y avait une paire de gluons - toujours un nombre pair, " dit Royon. " Maintenant, nous mesurons pour la première fois le nombre plus élevé d'événements et de propriétés et à une nouvelle énergie. Nous avons trouvé des mesures incompatibles avec ce modèle traditionnel consistant à supposer un nombre pair de gluons. C'est une sorte de découverte que l'on aurait pu voir pour la première fois, cet étrange échange du nombre de gluons. Il peut y en avoir trois, cinq, sept gluons ou plus."

Les chercheurs de la KU ont expliqué que l'odderon peut être considéré comme la contribution totale provenant de tous les types d'échange de gluons impairs. Il représente l'implication de tous les trois, cinq, sept ou autres nombres impairs de gluons. Par contre, l'ancien modèle suppose une contribution de tous les nombres pairs de gluons, il comprend donc les contributions de deux, quatre, six gluons pairs ou plus ensemble.

Au LHC, le travail a été réalisé par une équipe de plus de 100 physiciens de huit pays utilisant l'expérience TOTEM, près de l'un des quatre points du supercollisionneur où les faisceaux de protons sont dirigés les uns vers les autres, provoquant la collision de milliards de paires de protons chaque seconde.

Les chercheurs de la KU ont déclaré que les résultats donnent de nouveaux détails au modèle standard de la physique des particules, une théorie physique largement acceptée qui explique comment les éléments de base de la matière interagissent.

"Cela ne brise pas le modèle standard, mais il y a des régions très opaques du Modèle Standard, et cette œuvre éclaire une de ces régions opaques, " dit Raben.

Les physiciens ont imaginé l'existence de l'odderon pendant de nombreuses décennies, mais jusqu'à ce que le LHC commence à fonctionner à ses plus hautes énergies en 2015, l'odderon restait une simple conjecture. Les données recueillies et présentées dans le nouveau document ont été recueillies à 13 téraélectronvolts (TeV), les scientifiques les plus rapides n'ont jamais pu entrer en collision avec des protons.

"Ces idées remontent aux années 70, mais même à cette époque, il est rapidement devenu évident que nous n'étions pas proches technologiquement de pouvoir voir l'odderon, ainsi, alors qu'il y a plusieurs décennies de prédictions, l'odderon n'a pas été vu, ", a déclaré Raben.

Selon les chercheurs de la KU, l'expérience TOTEM a été conçue pour détecter les protons qui ne sont pas détruits par la collision mais qui ne sont que légèrement déviés. Donc, les détecteurs de particules TOTEM sont placés à quelques millimètres des faisceaux sortants de protons n'ayant pas interagi. En comparant les résultats actuels avec des mesures effectuées à des énergies plus faibles en utilisant des accélérateurs de particules moins puissants, TOTEM a été capable d'effectuer la mesure la plus précise jamais réalisée.

Les co-auteurs ont comparé le rapport des signatures des collisions à différentes énergies pour établir le "paramètre rho, " une mesure qui a aidé à établir des preuves de la présence possible d'odderons.

"Si vous allez à des énergies vraiment élevées, il existe des signatures du comportement des faisceaux entrés en collision à haute énergie qui peuvent être mesurées, " a déclaré Raben. "Mais il existe différents types de signatures de croissance à haute énergie. Jusqu'à maintenant, nous n'avons eu qu'à penser à un type de comportement de croissance à haute énergie. Essentiellement, ces quantités peuvent changer en fonction de la quantité d'énergie. Le paramètre rho mesure essentiellement le rapport d'une signature à l'autre de cette croissance à haute énergie."

Une telle mesure du paramètre rho est due au travail partagé, collaboration et contributions clés, sur le matériel des détecteurs et en particulier sur l'analyse physique, par plusieurs post-doctorants et physiciens seniors.

A part Royon, Le personnel de la KU impliqué dans les nouvelles découvertes de TOTEM comprend le chercheur postdoctoral Nicola Minafra, qui a remporté un prix d'excellence CMS cette année, et étudiants diplômés Cristian Baldenegro Barrera, Justin Williams, Tommaso Isidori et Cole Lindsey. Les autres chercheurs de la KU participant aux travaux sont Laurent Forthomme, chercheur postdoctoral également basé au CERN et travaillant sur les expériences CMS/TOTEM, et étudiant diplômé Federico Deganutti, qui travaille avec Raben sur la théorie.

"Nos étudiants viennent de plusieurs nations différentes, " a déclaré Royon. " KU est un travail à la frontière de nouvelles choses, et nous attendons de gros résultats dans les mois ou années à venir. D'autres efforts de recherche incluent la recherche d'une dimension supplémentaire dans l'univers, mais pour l'instant, nous ne regardons que les données."

Royon a déclaré que les détecteurs à cadencement rapide de l'expérience TOTEM utilisés pour mesurer le temps de vol des protons dans le LHC pourraient voir de nombreuses applications en médecine, physique de l'espace avec la NASA pour mesurer les rayons cosmiques, et le dessalement de l'eau de mer, un concept que le physicien de la KU explore avec Mark Shiflett, un professeur distingué de la Fondation à la KU School of Engineering.