Ont-ils perdu des preuves d'une nouvelle physique au Grand collisionneur de hadrons?

Détecteur de particules ATLAS au LHC du Centre européen de recherche nucléaire (CERN) à Genève, en Suisse. Le LHC, construit à l'intérieur d'un tunnel souterrain d'une circonférence de 27 km, est l'accélérateur de particules le plus grand et le plus puissant et la plus grande machine au monde. Mais il n'est capable d'enregistrer qu'une petite fraction des données qu'il recueille.

Dans le grand collisionneur de hadrons, les protons tournent simultanément dans le sens horaire et antihoraire et entrent en collision les uns avec les autres, se déplaçant en même temps à une vitesse de 99,9999991% de la vitesse de la lumière. En deux points, où le plus grand nombre de collisions devrait se produire selon le schéma, d'énormes détecteurs de particules sont construits: CMS et ATLAS . Après les milliards et les milliards de collisions qui ont eu lieu à des énergies aussi énormes, le LHC nous a permis d'avancer davantage dans notre quête de la nature fondamentale de l'Univers et d'une compréhension des éléments constitutifs élémentaires de la matière.

En septembre dernier, le LHC a fêté ses 10 ans de travail en ouvrant le boson de Higgs, qui est devenu sa principale réalisation. Mais, malgré ces succès, aucune nouvelle particule, interaction, désintégration ou nouvelle physique fondamentale n'a été découverte dessus. Et pire encore, la plupart des données reçues du LHC sont perdues à jamais.


La collaboration CMS, dont le détecteur peut être vu sur la photo avant l'assemblage final, a publié les résultats les plus complets de son travail. Il n'y a aucun signe de physique qui dépasse le modèle standard .

C'est l'un des puzzles les plus obscurs de la physique des hautes énergies, du moins pour les gens ordinaires. Le LHC n'a pas seulement perdu la plupart des données: il en a perdu 99,997%. Exactement cela: sur chaque million d'affrontements qui ont lieu au LHC, il ne reste que 30 records.

Cela se produit lorsque cela est nécessaire, en raison des restrictions imposées par les lois de la nature, ainsi que des capacités de la technologie moderne. Mais cette décision s'accompagne d'un sentiment de peur, intensifié par le fait qu'il n'y avait rien de plus ouvert que le boson de Higgs attendu. La crainte est qu'il y ait une nouvelle physique à découvrir, mais nous l'avons ratée, jetant toutes les données nécessaires.


Événement candidat pour quatre muons dans le détecteur ATLAS. Les traces de muons et d'antimuons sont représentées en rouge et les muons à longue durée de vie voyagent plus longtemps que toute autre particule instable. C'est un événement intéressant, mais pour chaque événement enregistré, il y a un million de rejetés.

Mais nous n'avions pas le choix. Il faudrait de toute façon laisser tomber quelque chose. Le LHC fonctionne en accélérant les protons à une vitesse proche de la lumière, en les lançant dans des directions opposées et en les poussant ensemble. Les accélérateurs de particules ont donc fonctionné le mieux pendant plusieurs générations. Selon Einstein, l'énergie d'une particule est une combinaison de sa masse au repos (que vous pouvez reconnaître comme E = mc ² ) et de l'énergie du mouvement, également connue sous le nom de cinétique. Plus vous vous déplacez rapidement - ou, plus précisément, plus vous vous rapprochez de la vitesse de la lumière - plus vous obtenez d'énergie de particules.

Sur le LHC, nous heurtons des protons à des vitesses de 299 792 455 m / s, seulement 3 m / s n'atteignant pas la vitesse de la lumière. En les heurtant à des vitesses aussi élevées, lorsqu'ils se déplacent dans la direction opposée, nous rendons possible l'existence de particules qui ne pourraient pas apparaître dans d'autres conditions.


L'intérieur du LHC, où les protons volent à des vitesses de 299 792 455 m / s, n'est que de 3 m / s n'atteignant pas la vitesse de la lumière.

La raison en est la suivante: toutes les particules (et antiparticules) créées par nous ont une certaine quantité de leur énergie inhérente sous la forme d'une masse au repos. Lorsque deux particules entrent en collision, une partie de cette énergie doit aller aux composants individuels de ces particules, à leur énergie de repos et à l'énergie cinétique (c'est-à-dire l'énergie du mouvement).

Mais s'il y a suffisamment d'énergie, une partie peut aller à la production de nouvelles particules! Ici, l'équation E = mc ² devient plus intéressante: la question n'est pas seulement que l'énergie E est inhérente à toutes les particules de masse m, mais aussi qu'avec suffisamment d'énergie à notre disposition, nous pouvons créer de nouvelles particules. Au LHC, l'humanité a atteint de plus grandes énergies dans les collisions qui ont généré de nouvelles particules que tout autre laboratoire de l'histoire.


Les physiciens ont examiné le LHC à la recherche de signes d'un grand nombre d'options pour une physique potentiellement nouvelle, des mesures supplémentaires et de la matière noire aux particules supersymétriques et aux trous noirs microscopiques. Mais malgré toutes les données collectées lors de ces collisions à haute énergie, aucune preuve de ces scénarios n'a été trouvée.

Chaque particule représente environ 7 TeV d'énergie, c'est-à-dire que chaque proton reçoit une énergie cinétique, qui est 7000 fois supérieure à son énergie de repos. Cependant, les collisions se produisent rarement et les protons ne sont pas seulement minuscules - ils sont pour la plupart vides. Pour augmenter la probabilité d'une collision, vous devez prendre plus d'un proton à la fois; les protons sont injectés en groupes.

Cela signifie qu'à pleine puissance à l'intérieur du LHC, pendant son fonctionnement, de nombreux petits groupes de protons se précipitent dans le sens horaire et antihoraire. La longueur des tunnels du LHC est d'environ 26 km et chaque groupe de protons n'est séparé que de 7,5 m Ces rayons de protons sont comprimés avant l'interaction au point central de chaque détecteur. Et toutes les 25 nanosecondes, il y a un risque de collision.


Le détecteur CMS du CERN est l'un des deux détecteurs les plus puissants jamais créés. En moyenne, toutes les 25 nanosecondes en son centre entrent en collision avec de nouveaux groupes de particules.

Alors que faire? Compter sur un petit nombre de collisions et enregistrer chacune d'entre elles? Ce sera un énorme gaspillage d'énergie et de données potentielles.

Au lieu de cela, nous pompons beaucoup de protons dans chaque groupe, et chaque fois que nous rencontrons des rayons, nous avons de bonnes chances de collision de particules. Et à chaque fois lors d'une telle collision, les particules éclatent dans toutes les directions à l'intérieur du détecteur, lançant des circuits électroniques et des circuits complexes, nous permettant de recréer ce qui a été créé, quand et à quel endroit du détecteur. C'est comme une gigantesque explosion, et seulement en mesurant tous les éclats d'obus qui en ont volé, nous pouvons recréer ce qui s'est passé (et ces nouvelles choses que nous avons créées) au moment de l'épidémie.


Événement de boson de Higgs dans CMS sur le LHC. L'énergie de cette collision spectaculaire est inférieure de 15 ordres de grandeur à l'énergie de Planck, mais ce sont précisément les mesures exactes du détecteur qui nous permettent de recréer ce qui s'est passé au point de collision.

Cependant, cela pose le problème de la collecte et de l'enregistrement de toutes les données. Les détecteurs sont grands en eux-mêmes: CMS mesurant 22 m, et ATLAS 46 m. ​​À tout moment, des particules provenant de trois collisions différentes apparaissent à l'intérieur du CMS, et de six dans ATLAS. Pour enregistrer des données, vous devez suivre deux étapes:

1. Les données doivent être transférées dans la mémoire du détecteur, limitée par la vitesse de l'électronique. Bien que les signaux électriques voyagent presque à la vitesse de la lumière, nous ne pouvons nous «souvenir» que d'une collision sur cinq cents environ.
2. Les données en mémoire doivent être écrites sur le disque (ou un autre support permanent), et cela se produit beaucoup plus lentement que l'écriture de données sur la mémoire. Vous devez décider quoi stocker et quoi jeter.

Diagramme schématique de la façon dont les données sont introduites dans le système, les capteurs sont lancés, ils sont analysés et envoyés pour un stockage permanent. Il s'agit d'un graphique pour ATLAS, il est légèrement différent d'un graphique pour CMS.

Nous utilisons quelques astuces afin de garantir judicieusement le choix des événements. Nous examinons immédiatement de nombreux facteurs de collision pour déterminer s'il faut les étudier plus attentivement ou non: c'est ce que nous appelons un déclencheur. En passant la gâchette, nous passons au niveau suivant. (De plus, une petite fraction des données qui n'ont pas réussi le déclencheur est conservée, juste au cas où un signal intéressant apparaît, pour lequel nous n'avons pas pensé à faire un déclencheur). Ensuite, une deuxième couche de filtres et de déclencheurs est appliquée; si l'événement s'avère suffisamment intéressant pour le sauver, il entre dans le buffer pour garantir son enregistrement sur le support. Nous pouvons garantir que tout événement marqué comme «intéressant» est préservé, ainsi qu'une petite fraction d'événements sans intérêt.

Étant donné que ces deux étapes sont nécessaires, nous ne pouvons économiser que 0,003% pour une analyse plus approfondie.


Candidat au boson de Higgs dans le détecteur ATLAS. Même avec des signes évidents et des traces latérales, la présence d'un grand nombre d'autres particules est visible; tout cela parce que les protons sont des particules composites. Cela ne fonctionne que parce que Higgs ajoute de la masse aux composants fondamentaux de ces particules.

Comment savons-nous que nous stockons les informations nécessaires? Celles dans lesquelles la création de nouvelles particules est très probablement enregistrée, l'importance des nouvelles interactions est visible, une nouvelle physique est-elle observée?

Lorsque les protons entrent en collision, la plupart des particules normales naissent - en ce sens qu'elles sont constituées presque entièrement de quarks supérieurs et inférieurs. (Ce sont des particules telles que des protons, des neutrons et des pions). La plupart des collisions se produisent en passant, c'est-à-dire que la plupart des particules entreront en collision avec le détecteur dans ou contre la direction du mouvement.


Les accélérateurs de particules sur Terre, comme le LHC au CERN, peuvent les accélérer à une vitesse très proche de la vitesse de la lumière, mais ne l'atteignant toujours pas. Les protons sont des particules composites, et en raison du mouvement à une vitesse proche de la lumière, après les collisions, la diffusion de nouvelles particules va dans ou contre la direction du mouvement, et non à travers.

Par conséquent, à la première étape, nous essayons d'étudier les traces de particules d'énergies relativement élevées, allant dans la direction transversale, et non vers l'avant ou vers l'arrière dans la direction des rayons. Nous essayons d'écrire sur le détecteur des événements de mémoire qui, à notre avis, ont la plus grande quantité d'énergie libre E pour créer de nouvelles particules de la masse la plus élevée possible m. Ensuite, nous analysons rapidement ce qui est dans la mémoire du détecteur pour savoir s'il vaut la peine d'écrire ces données sur le disque. Si tel est le cas, ces données peuvent être mises en file d'attente pour un stockage permanent.

En conséquence, chaque seconde, vous pouvez enregistrer 1000 événements. Ce nombre peut sembler élevé - mais gardez à l'esprit qu'environ 40 millions de groupes de protons entrent en collision chaque seconde.


Traces de particules dues à des collisions à haute énergie - Image LHC 2014. Une seule des 30 000 collisions de ce type est enregistrée et sauvegardée, la plupart étant perdues.

Nous pensons que nous agissons intelligemment, en choisissant et en conservant exactement ce que nous gardons, mais nous ne pouvons pas être sûrs à 100%. En 2010, le centre de données du CERN a franchi une étape incroyable: 10 pétaoctets de données. Fin 2013, il contenait déjà 100 pétaoctets; en 2017, une marque de 200 pétaoctets a été franchie. Mais pour tous ces volumes, nous savons qu'ils ont jeté - ou n'ont pas pu enregistrer - 30 000 fois plus de données. Nous pouvions collecter des centaines de pétaoctets, mais nous avons refusé et perdu de nombreux zettaoctets de données pour toujours: c'est plus de données que tout Internet crée en un an .


La quantité totale de données collectées sur le LHC est très en avance sur la quantité totale de données envoyées et reçues via Internet au cours des 10 dernières années. Mais seulement 0,003% de ces données ont été enregistrées et sauvegardées; tout le reste est à jamais perdu.

Il est très probable que le LHC ait créé de nouvelles particules, vu des preuves de nouvelles interactions, observé et enregistré tous les signes d'une nouvelle physique. De plus, en raison de notre méconnaissance du sujet des recherches, il est possible que nous ayons jeté tout cela et que nous continuions à le faire. Le cauchemar sur le manque de physique en dehors du modèle standard devient une réalité. Cependant, le vrai cauchemar réside dans la possibilité très plausible qu'une nouvelle physique existe, nous avons construit la machine idéale pour ses recherches, l'avons trouvée, mais ne l'avons pas réalisée, à cause de nos décisions et hypothèses. Le vrai cauchemar est que nous nous trompons en croyant au modèle standard, uniquement parce que nous avons étudié 0,003% des données disponibles. Nous pensons avoir pris une décision intelligente en sauvegardant les données sélectionnées, mais nous ne pouvons en être sûrs. Il est possible que nous-mêmes, sans le savoir, avons engagé ce cauchemar.

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