Qu’est-ce que le SHiP, la nouvelle expérience du CERN pour rechercher les particules « fantômes »

Cos’è lo SHiP, il nuovo esperimento del CERN per cercare le particelle “fantasma”

Le SHiP, acronyme de Search for Hidden Particles, est une nouvelle expérience approuvée par le Centre européen de recherche nucléaire (CERN) pour trouver les particules « cachées », c’est-à-dire les particules non prédites par le Modèle Standard mais proposées par différentes théories pour expliquer des phénomènes tels que la matière noire et l’expansion de l’Univers.

La SHiP (Search Hidden Particles), la nouvelle expérience du CERN pour la recherche des particules "fantômes" / Crédit : Pixabay

La SHiP (Search Hidden Particles), la nouvelle expérience du CERN pour la recherche des particules « fantômes » / Crédit : Pixabay

Le Centre européen de recherche nucléaire (CERN) de Genève, le plus grand laboratoire de physique des particules au monde, a approuvé une nouvelle expérience appelée SHiP (Search for Hidden Particles) pour rechercher les particules « fantômes », c’est-à-dire les particules non prédites par le Modèle Standard (MS) – la théorie actuelle de la physique des particules – mais proposées par différentes autres théories pour expliquer des phénomènes tels que la matière noire et l’expansion de l’Univers.

Diagramme de la SHiP, l'expérience pour rechercher les particules cachées / Crédit : CERN

Diagramme de la SHiP, l’expérience pour rechercher les particules cachées / Crédit : CERN

En pratique, le Modèle Standard dit que tout ce qui existe est constitué de particules élémentaires, regroupées en deux types principaux (fermions et bosons), dont font partie les électrons bien connus, mais aussi les quarks, le boson de Higgs, les neutrinos et les gluons. Certaines de ces particules se combinent pour former des particules plus grandes, mais néanmoins incroyablement petites, qui composent le monde qui nous entoure, ainsi que les étoiles et les galaxies que nous voyons dans l’espace, tandis que d’autres médiatisent les interactions fondamentales.

Cependant, il y a un problème : le Modèle Standard ne peut pas être considéré comme complet, car il n’explique pas une série de phénomènes observés en physique des particules, en astrophysique et en cosmologie, tels que la matière noire, l’entité mystérieuse qui, avec l’énergie sombre, semble constituer 95% de la masse et de l’énergie de notre cosmos. Cela indique que la majeure partie de l’Univers pourrait être constituée de particules « cachées », difficilement détectables car (si elles sont confirmées) elles interagiraient très rarement avec les particules que nous connaissons. Un peu comme les fantômes, qui pourraient traverser n’importe quoi sans être détectés par aucun dispositif terrestre.

Qu’est-ce que les particules « fantômes » et comment les trouvons-nous

Les particules « fantômes », ou plutôt les particules cachées, désignent les particules non encore connues, qui pourraient expliquer une série de phénomènes non résolus observés en physique des particules, en astrophysique et en cosmologie, tels que la matière noire, les oscillations des neutrinos et leur masse, l’asymétrie baryonique (l’asymétrie entre matière et antimatière) et l’expansion accélérée de l’Univers.

Pour les trouver, le CERN a récemment approuvé une nouvelle expérience, appelée Search for Hidden Particles (SHiP), qui vise à explorer le prétendu « secteur caché », également connu sous le nom de « secteur sombre », un ensemble hypothétique de champs quantiques non encore observés et les particules correspondantes, où pourrait résider l’explication des phénomènes observés expérimentalement mais non inclus dans le Modèle Standard.

Comment fonctionne le SHiP pour la recherche de particules cachées

Le SHiP (Search for Hidden Particles) est une nouvelle expérience de recherche de particules cachées qui utilisera les faisceaux de protons à haute intensité du Super Proton Synchrotron (SPS), un type de synchrotron circulaire et cyclique de particules du CERN. Plus précisément, le SHiP est une expérience de cible fixe, composée de deux détecteurs situés derrière un blindage qui supprime la plupart des particules du Modèle Standard.

« Le premier est un détecteur de diffusion et de neutrinos, basé sur des briques de tungstène-émulsion et de fibre scintillante, dédié à l’étude des neutrinos τ et à la recherche d’interactions avec de la matière noire supposée ‘légère’ – expliquent les chercheurs italiens du groupe SHiP de Bologne – . Le deuxième est constitué d’un volume de décroissance sous vide de 50 mètres, entouré d’un scintillateur liquide avec une fonction de veto. La partie finale du volume de décroissance est occupée par un spectromètre spécial, conçu pour une reconstruction précise des sommets de décroissance ».

Quelles particules le SHiP pourrait-il trouver

L’expérience est conçue pour rechercher des particules qui interagissent très faiblement avec la matière que nous connaissons, y compris les particules hypothétiques de la matière noire, qui est supposée être une forme de matière qui n’absorbe ni n’émet de rayonnements détectables. Les chercheurs ont déduit son existence à partir d’observations astronomiques, telles que la lumière qui se plie autour des grands amas de galaxies sur son chemin vers notre planète, bien qu’elle n’ait jamais été détectée directement.

D’autres nouvelles particules que le SHiP pourrait trouver comprennent celles qui expliqueraient d’autres phénomènes non résolus par le Modèle Standard, en expliquant par exemple pourquoi il existe actuellement beaucoup plus de matière que d’antimatière (l’asymétrie matière-antimatière), ainsi que les propriétés d’oscillation observées dans des particules telles que les neutrinos et donc leur masse.

Le SHiP est une collaboration de 54 institutions, représentant au total 18 pays, et travaillera en collaboration avec toutes les autres expériences du CERN, dont la plus grande est le Grand collisionneur de hadrons (LHC), qui s’emploie à rechercher des particules cachées depuis sa mise en service en 2008, pour un coût d’environ 4,4 milliards d’euros. Le SHiP, dont la construction commencera en 2027, devrait être beaucoup moins cher (environ 116 millions d’euros) : il commencera à collecter des données en 2023 et, une fois opérationnel, augmentera le nombre d’interactions potentielles d’un facteur 1 000 par communiqué à ce qui est actuellement possible avec les expériences du Grand collisionneur de hadrons.