Projet SHIFT : Une nouvelle approche pour la découverte de particules

Au Grand collisionneur de hadrons (LHC), les scientifiques cherchent des nouvelles sortes de particules qui pourraient aider à expliquer certains grands mystères en physique. Une idée serait de chercher des particules de basse masse qui n'interagissent pas beaucoup avec la matière normale. Ces particules pourraient voyager longtemps avant de se désintégrer en d'autres particules plus détectables. La recherche présentée ici suggère d'ajouter une cible spéciale au setup du LHC pour aider à trouver ces particules.

La proposition est de mettre en place cette cible à environ 160 mètres d'un des principaux détecteurs du LHC, appelé CMS. Quand des protons du LHC frappent cette cible, de nouvelles particules pourraient être créées. Certaines de ces particules pourraient traverser le matériel environnant et atteindre le détecteur CMS pour analyse. Cette approche pourrait aider les scientifiques à étudier des zones difficiles à atteindre avec les méthodes actuelles, et c’est moins cher que de construire un tout nouveau détecteur.

#Contexte

Le modèle standard de la physique des particules a bien fait son job pour expliquer comment les particules et les forces fonctionnent, mais il n'est pas complet. Il reste encore beaucoup de questions sans réponse. Par exemple, les scientifiques sont curieux au sujet de la Matière noire, des différences entre la matière et l'antimatière, et pourquoi les neutrinos ont une masse. Le LHC est un outil puissant pour trouver des réponses à ces questions en cherchant de nouvelles particules et interactions.

Traditionnellement, la recherche s'est concentrée sur des particules très massives, mais depuis la découverte du boson de Higgs en 2012, il n'y a pas eu beaucoup de nouvelles preuves. Du coup, les chercheurs commencent à regarder des particules plus légères avec des interactions très faibles. Certaines d'entre elles pourraient être de longue durée, ce qui signifie qu'elles pourraient parcourir une distance mesurable avant de se désintégrer, ce qui peut donner des signatures uniques dans les détecteurs.

#Recherche de particules de longue durée

Les particules de longue durée sont des candidates intrigantes dans cette recherche de nouvelles physiques. Ce sont des particules qui pourraient voyager une distance significative avant de se désintégrer. Beaucoup de particules connues dans le modèle standard possèdent déjà cette propriété, donc il est raisonnable de penser que de nouvelles particules au-delà du modèle standard pourraient aussi se comporter de cette manière. De telles particules pourraient produire des signaux intéressants dans les détecteurs, comme des traces qui disparaissent ou apparaissent à des endroits inhabituels.

L'intérêt pour ces signaux insolites est en train de croître. Diverses expériences au LHC, grandes et petites, se concentrent maintenant sur la recherche de particules de longue durée. Certaines d'entre elles incluent ATLAS, CMS, LHCb, et des projets plus petits comme FASER et MATHUSLA.

Chercher des particules avec des masses plus basses, qui interagissent très faiblement avec la matière normale, est un autre domaine d'intérêt croissant. Ces particules plus légères sont souvent produites en se déplaçant dans la direction du mouvement, ce qui n'est pas bien couvert par les grandes expériences. En conséquence, de nouvelles expériences sont proposées pour cibler spécifiquement ce domaine.

#Le projet SHIFT

Cette recherche propose une nouvelle expérience appelée SHIFT au LHC. L'idée est de mettre en place une cible fixe à une distance d'environ 160 mètres du détecteur CMS. Quand les protons dans le LHC frappent cette cible, de nouvelles particules de basse masse peuvent être créées et pourraient voyager vers le détecteur pour analyse.

Le projet SHIFT s'appuie sur des efforts précédents pour utiliser des cibles fixes au LHC. L'expérience LHCb a réussi à utiliser cette approche, prouvant que c'est faisable. Le coût estimé pour ce projet est relativement bas par rapport à d'autres expériences, ce qui en fait une option attrayante.

En se concentrant sur le détecteur CMS, ce projet pourrait potentiellement utiliser n'importe lequel des principaux détecteurs du LHC, avec des résultats variant selon le détecteur utilisé. Les collisions au SHIFT produiraient des particules qui se dirigent vers CMS, et certaines d'entre elles pourraient se désintégrer et être détectées.

#Le rôle de la cible fixe

Le concept de placer une cible fixe au LHC n'est pas nouveau. Les expériences LHCb et ALICE ont exploré cette idée, et LHCb l'a mise en œuvre avec succès. SHIFT impliquerait de placer une cible à environ 160 mètres du point d'interaction de CMS.

Dans cette configuration, les protons du LHC frapperaient la cible fixe, créant de nouvelles particules à un niveau d'énergie inférieur. La cible serait conçue pour maximiser le nombre de particules produites qui pourraient potentiellement atteindre CMS tout en filtrant le bruit de fond.

Cette distance a été choisie pour optimiser les chances que les particules soient détectées tout en permettant au matériel environnant de servir de bouclier, minimisant l'interférence des signaux indésirables.

#Production et analyse des particules attendues

Quand les protons frappent la cible fixe, une variété de processus peut se produire. L'accent est mis sur les processus qui conduisent à la création de nouvelles particules, en particulier celles se désintégrant en paires de Muons. Les muons sont un type de particule similaire aux électrons, mais plus lourds. On s'attend à ce qu'ils parcourent de longues distances avant de se désintégrer, ce qui les rend adaptés pour ce type d'étude.

Pour analyser les signaux potentiels issus de ces processus, des simulations utilisant des logiciels comme PYTHIA8 peuvent être employées. Ces simulations aident à prédire combien de particules pourraient être produites et comment elles pourraient se comporter en voyageant vers le détecteur.

Les principales sources de signaux de fond, qui peuvent compliquer la détection de nouvelles particules, incluent les processus de Chromodynamique quantique (QCD) et les processus Drell-Yan. Ces signaux de fond doivent être compris et pris en compte lors de l'analyse des données du détecteur.

#Défis et solutions

Un défi majeur est de s'assurer que les muons produits par la cible fixe peuvent survivre leur trajet vers le détecteur CMS. Les muons peuvent perdre de l'énergie en voyageant à travers des matériaux comme la roche et le béton. Cependant, sur la base des connaissances existantes, on pense que tant que les muons ont suffisamment d'énergie, ils peuvent atteindre le détecteur sans être arrêtés.

Pour affiner encore l'analyse, des éléments comme l'angle d'entrée des muons dans le détecteur et leurs temps de désintégration seront pris en compte. En concevant un système simple de sélection d'événements, les chercheurs peuvent se concentrer sur les signaux les plus prometteurs tout en négligeant ceux qui sont susceptibles d'être produits par des processus de fond.

Une autre considération est que les muons doivent être reconstructibles dans le détecteur. Il sera essentiel que les systèmes de déclenchement reconnaissent ces muons, soit en utilisant des méthodes de déclenchement existantes, soit potentiellement en développant de nouvelles adaptées aux signaux attendus du projet SHIFT.

#Comparaison de SHIFT avec d'autres expériences

Lorsqu'on examine l'efficacité du projet SHIFT, il est utile de le comparer avec des expériences existantes au LHC, comme celles menées par FASER et MATHUSLA. Ces expériences se concentrent généralement sur des particules plus légères, souvent jusqu'à 1 GeV. En revanche, SHIFT est conçu pour explorer une gamme plus large de possibilités de masse, s'étendant jusqu'à environ 70 GeV.

En se concentrant sur des particules de longue durée et en utilisant la configuration unique d'une cible fixe, SHIFT vise à découvrir des signaux qui ont été précédemment négligés. La recherche inclura des comparaisons avec les données de CMS et l'analyse des événements qui se produisent au SHIFT, montrant les améliorations de sensibilité que cette configuration pourrait offrir.

#Potentiel impressionnant de découverte

Les premiers résultats des études indiquent que, même avec seulement 1 % de la luminosité totale de CMS attendue pour Run 4, le projet SHIFT pourrait considérablement augmenter la capacité à découvrir de nouvelles physiques. La recherche suggère que la portée en physique pour les modèles de Photon noir et de Vallée cachée pourrait être améliorée de plus de 20 fois, selon des paramètres spécifiques.

De plus, le projet SHIFT est considéré comme une manière économique d'étendre le programme de recherche du LHC sans nécessiter la construction de nouveaux détecteurs ou installations. Cela en fait une avenue prometteuse pour une exploration plus approfondie dans la recherche de nouvelles particules et de physiques au-delà du modèle standard.

#Opportunités de recherche futures

Avec la mise en œuvre réussie de SHIFT, une large gamme d'autres modèles et scénarios peuvent être testés au-delà de ceux initialement proposés. Cela inclut non seulement les recherches sur les muons, mais aussi sur des particules comme les électrons, les photons, les jets et les hadrons.

Le potentiel des collisions quark-électron est particulièrement intéressant, car cela pourrait augmenter significativement les chances de découvrir de nouvelles particules, comme les leptoquarks. Dans l'ensemble, le projet SHIFT ouvre de nombreuses nouvelles avenues de recherche qui pourraient avoir un impact significatif sur notre compréhension de l'univers.

#Conclusion

L'expérience SHIFT proposée au LHC représente une opportunité excitante de rechercher de nouvelles physiques, en se concentrant particulièrement sur des particules de basse masse et de longue durée. Grâce à l'utilisation d'une cible fixe pour produire ces particules, les chercheurs peuvent explorer des zones de l'espace des paramètres qui étaient précédemment inaccessibles. Les premiers résultats suggèrent que SHIFT pourrait grandement étendre la portée en physique des expériences LHC existantes, et sa nature économique en fait une option viable pour de futures enquêtes sur les mystères de l'univers. La mise en œuvre de SHIFT a le potentiel de débloquer une richesse de connaissances sur des particules et des forces qui n'ont pas encore été pleinement comprises.