À la recherche d’une nouvelle physique

L’expérience E158, réalisée auprès de l’accélérateur linéaire de Stanford en Californie, a récemment publié un test très précis de l’interaction faible entre deux électrons. Ce résultat repousse un peu plus loin les limites d’une nouvelle physique dont les physiciens recherchent ardemment la première manifestation.

Le modèle standard réunit dans un même formalisme la force électromagnétique et la force nucléaire faible. Depuis son élaboration à la fin des années 1960, il accumule les succès dans la description et la prédiction de tous les processus observés jusqu’à présent. Les physiciens savent pourtant que cette théorie n’est pas la théorie ultime de la nature car elle comporte de nombreux paramètres qui ne sont pas prédits et doivent donc être mesurés. C’est le cas notamment de toutes les masses des particules élémentaires. De nombreux scénarios théoriques proposent ainsi une nouvelle physique au-delà du modèle standard. Ils font tous appel à de nouvelles particules et de nouvelles interactions dont la découverte serait une avancée historique de la physique des particules. Un axe de recherche de cette nouvelle physique est la tentative d’observation directe de particules très massives ou interagissant très peu avec la matière, propriétés qui expliqueraient pourquoi ces particules auraient échappé jusqu’à présent aux observations. Une autre façon de faire est d’utiliser une méthode complémentaire d’observation indirecte, dans laquelle la nouvelle physique se manifeste à travers une légère perturbation d’un phénomène connu(voir figure 1). C’est ce genre de méthode que l’expérience E158 a mis en œuvre .

1 : Une analogie célèbre d’observation indirecte est la découverte de Neptune par Urbain Le Verrier en 1846. En utilisant les mesures précises de la position d’Uranus dans le ciel, l’astronome français fut capable de démontrer l’existence d’une autre planète qui perturbait l’orbite d’Uranus autour du soleil par rapport à la prédiction des éphémérides. La précision des relevés de la position d’Uranus était telle que Le Verrier put même prédire la localisation de la nouvelle planète… qui fut effectivement observée au télescope par Johann Galle à l’endroit prévu, le jour même où il pris connaissance des résultats de Le Verrier!

Le but de E158 est de refaire une mesure à beaucoup plus basse énergie, très loin du domaine où l’interaction faible domine. Dans ces conditions le modèle standard annonce très précisément que le paramètre sin²θW doit dévier de 3% par rapport à la valeur mesurée à Genève et à Stanford, (voir figure 2). Cet effet subtil résulte de la contribution des fluctuations quantiques dans le processus étudié: quand deux électrons interagissent il faut prendre en compte la perturbation créée par de brefs états intermédiaires, auxquels toutes les particules élémentaires participent. Bien que ce ne soit pas intuitif, toutes les expériences effectuées jusqu’à présent confirment la nécessité de prendre en compte ces phénomènes pour décrire les résultats observés dans le monde subatomique. Par une mesure de haute précision, E158 peut donc espérer mettre en évidence une perturbation supplémentaire associée à des particules jamais observées, signant indirectement la présence d’une nouvelle physique.

Dans le domaine de basse énergie étudié, l’interaction électromagnétique est 10 millions de fois plus intense que l’interaction faible recherchée. Ce défi expérimental a été relevé grâce aux progrès décisifs des techniques dites de « violation de parité » qui utilisent des faisceaux intenses et hautement polarisés d’électrons (voir fait marquant Happex). E158 a ainsi atteint la précision remarquable de 0.5% sur le paramètre sin²θW (voir figure 2). Le résultat confirme l’évolution prédite par le modèle standard, et ne montre pas de signal de nouvelle physique. Si celle-ci existe vraiment, alors elle est trop « éloignée » pour que E158 puisse la détecter. C’est-à-dire qu’elle ne peut apparaître qu’à très haute énergie, au-delà du TeV (1000 milliards d’électron-volts). Cette limite, 100 fois plus élevée que l’énergie du faisceau d’électron utilisé à Stanford, illustre le potentiel de découverte d’une mesure indirecte de haute précision. Pour une observation directe, une telle énergie ne sera accessible qu’auprès des plus gros accélérateurs tel que le futur LHC au Cern.

Évolution de sin2θW en fonction de Q, le transfert d’impulsion des électrons du faisceau vers ceux de la cible. Le point à Q=100 GeV/c correspond au domaine de prédilection de l’interaction faible, étudié par les collisionneurs SLC et LEP. Il sert de point de référence pour le calcul de l’évolution de sin2θW (courbe bleue et sa bande d’erreur associée). Le résultat de E158, en testant l’interaction faible à une valeur de Q trois ordres de grandeur plus basse, apporte des contraintes complémentaires sur une éventuelle nouvelle physique.

Quelle que soit sa première mise en évidence expérimentale l’étude d’une nouvelle physique demandera de nombreuses expériences complémentaires. L’amplitude et le signe de la déviation de chaque mesure par rapport à sa prédiction théorique seront des informations cruciales pour déterminer la nature exacte du nouveau phénomène. Les tests précis du modèle standard à basse énergie restent donc un outil précieux pour guider nos microscopes à particules dans la bonne direction et espérer voir un jour émerger un nouveau Neptune des eaux agitées du monde subatomique.

Pour en savoir plus : •Site internet de E158 •Article de Nature-Mai 2005 : Electrons are not ambidextrous. •Article du Courrier Cern, Juillet-Aout2005 : Variation in weak force found by E158. contact: David Lhuillier