Le groupe de recherche du professeur Matthias Schott du pôle d'excellence PRISMA+ de l'université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) a publié les résultats d'une vaste série de mesures réalisées au détecteur ATLAS du Grand collisionneur de hadrons (LHC) sur le arXiv serveur de préimpression. Les données ont été enregistrées lors de la deuxième période d'exploitation du LHC entre 2015 et 2018.
L'objectif de ce programme de mesure exigeant sur le plan expérimental est de rechercher des particules de type axion qui pourraient être produites dans certaines désintégrations de la particule de Higgs et, en tant que nouvelles particules, pourraient expliquer l'écart du moment magnétique anormal du muon déterminé expérimentalement par rapport à sa prédiction théorique. .
Le travail représente le test expérimental d'un modèle d'axion développé par le professeur Matthias Neubert, physicien théoricien et porte-parole de PRISMA+, et constitue donc un exemple idéal de l'interaction précieuse entre la théorie et l'expérience sur le site de Mayence.
Les axions sont des particules élémentaires hypothétiques qui ont été initialement postulées pour résoudre une lacune théorique de l'interaction forte, le problème dit du CP fort. Depuis de nombreuses années, les axions ou particules de type axion (ALP) sont également considérés comme des candidats prometteurs pour la matière noire.
"Dans ce contexte, les physiciens ont développé de nombreuses expériences, notamment pour rechercher des ALP très légères", explique Schott. "Pour la première fois, nous avons proposé et mis en œuvre un programme de recherche détaillé au sein de l'expérience ATLAS du LHC, avec lequel nous recherchons spécifiquement des ALP relativement lourdes - celles-ci pourraient à leur tour expliquer l'énigme du moment magnétique anormal du muon, comme Matthias Neubert l'a montré dans un modèle développé il y a quelques années."
Avec Martin Bauer et Andrea Thamm, Neubert a postulé en 2017 qu'ATLAS pourrait être utilisé pour rechercher une très large gamme de masses d'axions appropriées avec une très haute sensibilité. Pour Schott, ce fut le point de départ de la candidature réussie à la subvention ERC. "J'ai maintenant testé une grande partie de l'espace des paramètres du modèle de Neubert avec mon groupe dans le cadre de cette subvention ERC et nous sommes très heureux de pouvoir désormais publier les premiers résultats."
Neubert, pour sa part, a depuis clarifié l'effet attendu des ALP sur l'impulsion du muon dans un article récent publié dans le Journal of High Energy Physics. avec Anne Galda.
La série de mesures est basée sur l'idée que les ALP potentielles doivent se coupler à la fois au muon et aux photons afin d'expliquer l'anomalie du moment magnétique du muon. Plus précisément, les chercheurs ont étudié une chaîne de désintégration théoriquement postulée dans laquelle une particule de Higgs se désintègre d'abord en deux ALP, et celles-ci à leur tour en deux photons chacune (H à aa à 4ƴ). L'objectif était de détecter le couplage des ALP aux photons de cette chaîne.
"Nous n'avons trouvé aucun signal visible pouvant indiquer des ALP correspondantes", explique Schott. "Dans la zone étudiée, nous pouvons donc exclure avec la plus grande probabilité le couplage axion-photon." Cependant, comme le groupe de recherche a pu rechercher pour la première fois une très large plage de paramètres et était six ordres de grandeur plus sensible que les mesures précédentes, notamment en ce qui concerne la force de couplage, ils ont réussi à fixer les limites d'exclusion les plus strictes à ce jour. pour la masse et la force de couplage des ALP.
Neubert déclare :« La particularité de cette mesure est que les ALP peuvent potentiellement être détectées via la physique du Higgs. Nous sommes dans la gamme des hautes énergies de la physique des particules et pouvons ainsi détecter l'écart dans le moment magnétique anormal du muon via la conversion des valeurs élevées. -particules énergétiques. Il s'agit d'une approche complémentaire à la mesure directe des propriétés du muon dans la gamme des basses énergies dans le cadre de l'expérience muon g-2, ce qui la rend si passionnante."
Le processus de désintégration étudié par le groupe de Schott est très difficile sur le plan expérimental, principalement parce que les photons à détecter lors de la désintégration de l'ALP ne sont pas produits au point de collision du détecteur. "Dans les collisions normales de particules, les particules se rencontrent toujours exactement au milieu du détecteur. Et pour toutes les nouvelles particules créées lors de cette collision, nous supposons généralement que leur voyage commence juste au point de collision. Les algorithmes et étalonnages normaux dont nous disposons sont basé précisément sur cette hypothèse", explique Schott.
"Cependant, si de nouvelles particules sont créées et "vivent" assez longtemps, elles volent d'abord sur une courte distance avant de se désintégrer. Cela signifie que notre hypothèse initiale ne s'applique plus et que nous devons développer des approches complètement nouvelles afin de voir également les particules. dans le détecteur qui ne proviennent pas du point de collision."
Plus précisément, dans le modèle de Neubert, la particule de Higgs se désintègre d'abord en deux ALP immédiatement au point de collision des particules. Cependant, les ALP volent pendant un certain temps avant de se désintégrer chacune en deux photons, de sorte que ces photons sont produits loin du point de collision. "Nous appelons ces événements avec un sommet déplacé - un point de collision déplacé, pour ainsi dire. Nous avons maintenant réussi à effectuer une telle mesure avec des photons pour la première fois."
À cela s’ajoute un autre défi :si les ALP sont relativement légères, les photons dans lesquels elles se désintègrent sont très proches les uns des autres. Le détecteur perçoit les deux photons comme un seul photon, à moins qu'il n'existe un nouvel algorithme spécialement conçu pour cela :c'est-à-dire qu'il puisse reconnaître les photons qui ont été réellement reconstruits comme un seul photon comme deux photons. "Nous avons pu développer un tel algorithme en utilisant l'intelligence artificielle sous la forme de réseaux de neurones et ainsi résoudre avec succès les signaux provenant de photons hautement colinéaires."
Mais il y a plus. Même avec les algorithmes spécialement développés, avec lesquels les chercheurs peuvent couvrir une zone de recherche très large, ils ne peuvent pas « attraper » toutes les ALP qu'ils souhaitent cibler. Pour combler également cette lacune, ils souhaitent utiliser l'expérience FASER, qui est désormais opérationnelle dans un tunnel latéral du LHC, à environ 480 mètres derrière l'expérience ATLAS.
Tout récemment, la collaboration muon g-2 du Fermilab a annoncé une nouvelle valeur de mesure du moment magnétique anormal, deux fois plus précise que la précédente. Le groupe de travail PRISMA+ dirigé par le professeur Martin Fertl est le seul en Allemagne à participer à des contributions expérimentales. La contrepartie est l'initiative de la théorie du muon g-2, une association mondiale de plus de 130 physiciens qui s'occupe des prédictions théoriques dans le cadre du modèle standard.
Ici aussi, les groupes de travail de Mayence du Prof. Dr. Achim Denig, du Prof. Dr. Harvey Meyer, du Prof. Dr. Marc Vanderhaeghen et du Prof. Dr. Hartmut Wittig apportent de nombreuses contributions importantes, de la mesure des variables d'entrée expérimentales à la calcul de haute précision des contributions de l'interaction forte à l'aide des méthodes de chromodynamique quantique sur réseau sur l'ordinateur central MOGON-II de Mayence.
Sur la base des calculs les plus récents, il n'est toujours pas clair s'il existe un véritable écart entre la théorie et l'expérience et, le cas échéant, quelles approches théoriques pourraient être utilisées pour l'expliquer. Cependant, cela démontre une fois de plus la grande expertise du cluster PRISMA+ de Mayence dans la recherche de nouvelle physique, et ici en particulier dans l'interaction entre théorie et expérience et dans l'utilisation de méthodes complémentaires pour répondre aux grandes questions de la physique moderne.
"Nos travaux publiés aujourd'hui constituent ici une contribution importante, même s'ils montrent que l'espace pour les modèles de nouvelle physique que nous pouvons tester expérimentalement devient de plus en plus petit", explique Schott, catégorisant le résultat. "En ce qui concerne les ALP, ce sont encore des candidats prometteurs pour la matière noire, mais nous pouvons très probablement les exclure comme cause d'une divergence dans le moment magnétique du muon."
Plus d'informations : Recherche de particules de type axion à vie courte et longue dans les désintégrations H → aa → 4γ avec l'expérience ATLAS au LHC, arXiv (2023). DOI :10.48550/arxiv.2312.03306
Anne Mareike Galda et al, Interférence ALP-LEFT et muon (g − 2), Journal of High Energy Physics (2023). DOI :10.1007/JHEP11(2023)015. Sur arXiv :DOI :10.48550/arxiv.2308.01338
Informations sur le journal : arXiv
Fourni par l'Université Johannes Gutenberg de Mayence
