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Des squarks aux gluinos: cela ne semble pas bon pour la supersymétrie

Paul M. Sutter est astrophysicien à SUNY Stony Brook et le Flatiron Institute, hôte de Demandez à un Spaceman et Radio spatiale, et auteur de Comment mourir dans l’espace. Il a contribué cet article à 45secondes.fr’s Voix d’experts: opinions et idées.

Supersymétrie est l’idée que les particules fondamentales de la nature sont reliées par une relation profonde. Cette théorie prédit l’existence de toutes nouvelles particules dans les plus grandes expériences de collisionneurs au monde.

Mais selon un rapport récent, il n’y a eu aucun signe de supersymétrie et la théorie semble un peu fragile.

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La symétrie mystérieuse

L’univers subatomique est composé de deux types fondamentaux de particules, appelés les fermions (en l’honneur de Enrico Fermi) et les bosons (nommés pour Satyendra Nath Bose). Essentiellement, les fermions sont les éléments constitutifs du monde naturel: les quarks, les électrons, les neutrinos. Si vous zoomiez sur vos propres cellules, molécules et atomes, vous trouveriez un tas de fermions qui bourdonnaient et faisaient leur truc.

En revanche, les bosons sont les porteurs de la forces fondamentales de la nature. La force électromagnétique est portée par le photon, un type de boson. La force nucléaire faible a un trio de bosons pour la transporter, et huit bosons différents conspirent pour que la force nucléaire forte se produise. La gravité a un boson hypothétique qui lui est associé, appelé le graviton, mais nous n’avons pas encore une compréhension de cette particule.

Nous ne comprenons pas non plus pourquoi l’univers est divisé en ces deux grands camps. Pourquoi n’y a-t-il pas plus de «familles» de particules? Pourquoi les fermions ont-ils les propriétés qu’ils ont? Pourquoi les bosons sont-ils liés aux forces? Et y a-t-il des liens entre ces deux mondes?

Particules super puissantes

Il pourrait bien y avoir un lien entre les fermions et les bosons, et le nom de la connexion théorique est supersymétrie. La symétrie mathématique joue un rôle central dans la physique moderne. C’est grâce à la découverte de relations mathématiques profondes que les physiciens ont pu comprendre les forces de la nature et d’autres idées merveilleuses comme la conservation de l’énergie.

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En recherchant des symétries, les physiciens peuvent comprendre le monde.

En supersymétrie, il existe un nouveau type de relation mathématique qui relie les fermions et les bosons. En fait, c’est plus qu’une simple connexion: la supersymétrie déclare que les fermions et les bosons sont en réalité les deux faces d’une même pièce (supersymétrique). Chaque fermion a une particule semblable à un miroir dans la famille des bosons, et chaque boson a un jumeau sur le monde des fermions.

Dans le jargon de la supersymétrie, les jumeaux de particules en forme de miroir reçoivent des noms plutôt fantaisistes. Chaque partenaire supersymétrique d’un fermion reçoit un « s » attaché à l’avant, de sorte que le partenaire d’un quark est un squark, le partenaire d’un électron est un sélectron, et ainsi de suite. Pour les bosons, leurs partenaires sont « ino » attachés à la fin, donc les photons sont appariés avec des photinos et les gluons (les porteurs de la force forte) sont appariés avec des gluinos. Donc, pour trouver des preuves de supersymétrie, tout ce que vous avez à faire est de trouver un gluino ou un sélectron errant flottant.

Cela semble cool, mais ce n’est pas si simple. Dans un monde parfaitement supersymétrique, nous verrions ces particules jumelées partout où nous regardons. Pour chaque fermion, nous pourrions trouver un boson associé, et vice versa.

Mais nous ne le faisons pas.

La raison pour laquelle nous ne voyons pas la symétrie manifestée dans notre univers est qu’il s’agit d’une symétrie brisée. Il y a longtemps, quand l’univers était beaucoup plus chaud et plus dense, cette symétrie pouvait survivre. Mais à mesure que l’univers s’est étendu, il s’est refroidi et a brisé la symétrie, divisant les fermions et les bosons. La rupture de la symétrie a fait gonfler radicalement la masse de tous les jumeaux de supersymétrie, et dans le monde de la physique des particules, plus vous êtes massif, plus vous êtes instable.

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Le seul moyen d’accéder au domaine de la supersymétrie pour recréer les conditions de l’univers primitif. Comme, par exemple, dans un collisionneur de particules géant.

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ATLAS tient le monde

le Grand collisionneur de hadrons (LHC) est, comme son nom l’indique, un collisionneur de particules géant. Il est capable d’accélérer des particules à presque la vitesse de la lumière, puis de les briser ensemble, atteignant les énergies les plus élevées possibles – des conditions introuvables dans l’univers depuis les premiers instants du Big Bang. Le grand collisionneur de hadrons a été explicitement conçu pour rechercher des signes de supersymétrie en trouvant des preuves de partenaires de particules supersymétriques dans les débris de collision.

L’un des détecteurs du LHC s’appelle ATLAS, pour « A Toroidal LHC ApparatuS » (oui, c’est un peu maladroit comme les acronymes, mais c’est un nom génial). La collaboration ATLAS, composée de centaines de scientifiques du monde entier, a publié ses dernières découvertes dans sa recherche de supersymétrie dans un papier paru dans le journal de pré-impression arXiv.

Et leurs résultats? Rien. Nada. Rien. Zéro.

Après des années de recherche et des tonnes de données accumulées à partir d’innombrables collisions, il n’y a aucun signe de particule supersymétrique. En fait, de nombreux modèles de supersymétrie sont désormais totalement exclus et très peu d’idées théoriques restent valables.

Alors que la supersymétrie bénéficie d’un large soutien de la part des théoriciens depuis des décennies (qui la décrivent souvent comme la prochaine étape évidente pour faire progresser notre compréhension de l’univers), la théorie est sur une glace mince depuis la mise en service du LHC. Mais malgré ces premiers résultats douteux, les théoriciens avaient espéré qu’un modèle de réglage de la théorie produirait un résultat positif à l’intérieur de l’expérience du collisionneur.

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Bien que tous les modèles possibles de supersymétrie n’aient pas été exclus, l’avenir de la théorie est sérieusement mis en doute. Et comme les physiciens ont investi tant de temps et d’énergie dans la supersymétrie pendant des années, il n’y a pas beaucoup d’alternatives convaincantes.

Où ira la physique d’ici, dans un univers sans supersymétrie? Seul le temps (et beaucoup de maths) le dira.

Lire la suite: « Recherche de carrés et de gluinos dans les états finaux avec jets et impulsion transversale manquante en utilisant 139 fb − 1 de données de collision s√ = 13 TeV pp avec le détecteur ATLAS« 

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