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Représentation graphique de deux types de particules à vie longue se désintégrant en paires de muons ; les signaux correspondant aux muons peuvent être associés au point où la particule à vie longue s'est désintégrée, à l’aide des données provenant du trajectographe et des détecteurs de muons. (Image : CMS/CERN)
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Cette recherche de particules exotiques à vie longue s’intéresse à une possible production de « photons noirs » révélée dans le détecteur par des muons déplacés
CERN: Press Releases
L'expérience CMS a présenté sa première recherche d'une nouvelle physique s'appuyant sur les données issues de la troisième période d'exploitation du Grand collisionneur de hadrons. Cette nouvelle étude porte sur la recherche d'une possible production de « photons noirs » lors de la désintégration de bosons de Higgs dans le détecteur. Les photons noirs sont des particules exotiques à vie longue : « exotiques » car elles ne font pas partie du Modèle standard de la physique des particules, et « à vie longue » car leur durée de vie moyenne est supérieure à un dixième de milliardième de seconde – ce qui est très long pour les particules produites au LHC. Le Modèle standard est la théorie dominante s'agissant de la description des constituants fondamentaux de l'Univers ; il ne permet toutefois pas de répondre à toutes les questions de physique ; c'est pourquoi les scientifiques continuent de rechercher de nouveaux phénomènes au-delà du Modèle standard. Le nouveau résultat de CMS apporte des limites plus contraignantes aux paramètres de la désintégration des bosons de Higgs en photons sombres, ce qui réduit encore la zone dans laquelle les physiciens peuvent les rechercher.
D'après la théorie, les photons noirs sont censés se déplacer sur une distance mesurable à l'intérieur du détecteur CMS avant de se désintégrer en « muons déplacés ». Si l’on essayait de de reconstituer les trajectoires de ces muons, on constaterait qu’il est impossible de remonter jusqu’au point de collision, car ils proviennent d’une particule qui s’est déjà éloignée, sans laisser de trace.
La troisième période d'exploitation du LHC a débuté en juillet 2022 avec une luminosité instantanée plus élevée que lors des précédentes périodes, ce qui signifie que, à tout moment, le nombre de collisions pouvant être analysées est plus élevé. Des dizaines de millions de collisions ont lieu chaque seconde dans le LHC, mais seules quelques milliers d'entre elles peuvent être stockées, car enregistrer chaque collision épuiserait rapidement toutes les capacités de stockage de données disponibles. C'est la raison pour laquelle CMS utilise un algorithme de sélection des données en temps réel, appelé « système de déclenchement », qui décide si une collision donnée est intéressante ou non. Dès lors, notre capacité de trouver des indices de l'existence du photon sombre n'est pas liée uniquement à un plus grand volume de données ; elle dépend également de la manière dont le système de déclenchement est réglé pour rechercher des phénomènes spécifiques.
« Nous avons réellement amélioré notre capacité de cibler, au niveau du déclenchement, les muons déplacés, explique Juliette Alimena, de l'expérience CMS. Cela nous permet de disposer de beaucoup plus d'événements présentant des muons déplacés par rapport au point de collision, sur des distances allant de quelques centaines de micromètres à plusieurs mètres. Grâce à ces améliorations, si les photons noirs existent, CMS aura désormais bien plus de chances de les découvrir. »
Le système de déclenchement de CMS a joué un rôle essentiel dans cette quête ; il a notamment été perfectionné entre la deuxième et la troisième période d'exploitation en vue de rechercher des particules exotiques à vie longue. La collaboration a ainsi pu utiliser le LHC de manière plus efficace, obtenant un résultat solide avec seulement un tiers de la quantité de données utilisées pour ses précédentes recherches. Pour cela, l'équipe de CMS a perfectionné le système de déclenchement en ajoutant un nouvel algorithme ciblant les muons dits non pointants. Grâce à cette amélioration, même sur la base de quatre à cinq mois seulement de données issues de la troisième période d'exploitation en 2022, il a été possible d’enregistrer beaucoup plus de muons déplacés ont été enregistrés qu'avec l'ensemble de données beaucoup plus important issu de la deuxième période d'exploitation de 2016-2018. La nouvelle couverture du système de déclenchement augmente considérablement l’amplitude de la gamme des impulsions des muons captés, ce qui permet d'explorer de nouvelles régions où peuvent se cacher des particules à vie longue.
L'équipe de CMS continuera à utiliser les techniques les plus puissantes pour analyser toutes les données collectées durant le reste de la troisième période d'exploitation, afin de poursuivre l'exploration de la physique au-delà du Modèle standard.
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