Sus aux bestioles composites avec les collisionneurs futurs !

For my English-speaking readership, this post is the French adaptation of this one, that addresses composite models as seeds for new phenomena in particle physics. I discuss how future particle colliders could potentially help where CERN’s Large Hadron Collider is powerless.

Et maintenant, place au français, et à la suite de notre voyage au travers des modèles composites !

Ces derniers consistent en une excellente option pour des phénomènes nouveaux au-delà du Modèle Standard de la physique des particules. Dans ce blog, je vais discuter de l’une de mes publications scientifiques récentes sur ce sujet. Le point clé de cette publi concerne la possibilité pour des nouvelles particules composites très légères d’exister. De telles particules sont très intéressantes car elles sont totalement invisibles au Grand Collisionneur de Hadrons. Par contre, nous avons démontré que la situation était un peu meilleure à certaines machines dont la construction pourrait démarrer dans une trentaine d’années.

Comme d’habitude, il y a deux façons de lire ce blog. Si on est un lecteur ou lectrice un peu pressé (ou accessoirement qui a peur de faire une overdose de physique), on peut se contenter de finir de lire cette section et d’ensuite passer au résumé en fin de post. Pour les autres, là c’est plus simple. Il suffit de tout lire. Dans tous les cas, je suis disponible en section ’commentaires’ pour toute question ou remarque!

Avant d’aller plus loin, on peut se demander le pourquoi de la physique au-delà du Modèle Standard. Est-ce quelque chose de nécessaire ? Et bien oui ! Il y a de nombreuses raisons pour étendre le Modèle Standard par de nouvelles particules et interactions, comme indiqué au travers des quelques exemples de ce vieux blog de l’an dernier. Et parmi toutes les possibilités qui s’ouvrent à nous, les modèles composites sont très avenants !

Dans ces modèles, on ajoute au Modèle Standard un petit tas de nouvelles particules composites généralement lourdes, qui sont par définition faites de nouvelles particules élémentaires, lourdes également. Ici, rien de bien folichon. On reproduit la dynamique qui fait que les quarks se combinent pour former neutrons et protons, mais en plus lourd.

^{[Crédits: Image originale du domaine public]}

On peut alors voir notre théorie comme divisée en deux secteurs. D’une part, nous avons les particules du Modèle Standard, sauf le boson de Higgs (on verra pourquoi plus tard). D’autre part, nous avons un zoo plein de nouvelles particules. Ce zoo inclut potentiellement une particule pouvant être de la matière noire (ça c’était le sujet du blog de la semaine dernière), ou une particule pouvant fournir une explication au fait que le quark top est bien plus lourd que toutes les autres particules du Modèle Standard.

Mais ce n’est pas tout. Certaines particules composites peuvent être légères. Bien sûr, on ne peut pas faire n’importe quoi. L’une de ces particules légères doit être identifiée avec le boson de Higgs découvert en 2012 (voir aussi ici pour plus d’infos). Mais on peut aussi avoir d’autres bestioles amusantes dont la recherche consiste en un vrai défi, surtout pour une machine comme le Grand Collisionneur de Hadrons (le LHC) du CERN qui n’est pas fait pour ça... C’est là où les projets futurs pourront (peut-être) nous sauver !

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Les modèles composites en 3 minutes et 26 secondes

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Dans le Modèle Standard, le fait que nous avons un boson de Higgs est un problème. La théorie part en effet en sucette si ses paramètres ne sont pas ajustés jusqu’à leur 30^ème chiffre après la virgule. Et ça, c’est pas cool… Dans les modèles composites, on attaque le problème à la source : on se débarasse du boson de Higgs. Pas de boson Higgs implique aucun problème lié au boson de Higgs. Facile non ?

Mais comme on a observé un boson de Higgs (ou en tous cas quelque chose qui y ressemble vachement), les modèles composites sont un peu mis à mal vu qu’ils ne contiennent pas de Higgs par construction. Enfin, presque…

Dans la pratique, on commence par construire un premier secteur de particules avec toutes les particules élémentaires du Modèle Standard, sauf le boson Higgs. Toutes ces particules sont bien sûr non massives, car il nous faut le Higgs pour les rendre massives, et vu qu’on n’a pas de Higgs… bien voilà quoi !

Ensuite, un ajoute de nouvelles particules élémentaires lourdes et une nouvelle interaction fondamentale. Cela permet à ces nouvelles particules de se combiner en particules composites dont la sous-structure ne peut être sondée aux énergies actuelles.

^{[Crédits: CERN]}

La clé est que la plupart des particules composites sont lourdes, mais il y a des exceptions. Et ces exceptions sont ce qui nous sauve. On s’arrange en effet pour que l’une de ces exceptions (une particule composite légère donc) sente bon le boson de Higgs, et agisse comme tel. Ensuite, on bricole la théorie pour rendre les particules élémentaires massives (en les faisant se mélanger avec les particules composites).

On peut se débrouiller pour construire de tels modèles de façon plus oui moins élégante. On ne peut pas faire n’importe quoi, mais les contraintes ne sont pas insurmontables. Le truc chouette est qu’en bonus, on se retrouve tout le temps avec une autre particule légère qui peut en fait être même plus légère qu’une bonne partie des particules connues. Et c’est là que ça devient carrément cool !

^{[Crédits: PXHere (public domain)]}

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Particules composites légères et collisionneurs

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Le premier gros ‘warning’ que l’on peut signaler est la viabilité d’une nouvelle particule légère au vu des données. On a des décennies de données venant des collisionneurs construits durant les 50 dernières années, et il n’y a aucune trace de bestiole légère inconnue… Comment une particule composite légère aurait pu alors nous échapper ?

Tout d’abord, l’observation d’un signal quelconque demande à ce que le taux de production associé soit suffisant. Ceci dépend non seulement de la masse des particules impliquées (au plus elles sont légères au plus le taux de production est grand) mais aussi à la façon dont elles se couplent au Modèle Standard (un couplage faible donne un taux de production faible). Ainsi, une particule légère ne garantit pas un signal visible. Il faut que son couplage au Modèle Standard soit suffisant.

Mais ce n’est pas tout. Il y a l’éternelle question du bruit de fond. Même si notre signal est facile à produire, si le bruit de fond correspondant vient avec un taux 1,000,000 de fois plus grand, et bien nous sommes cuits ! Bien sûr, les physiciens vont construire des analyses destinées à mettre le signal à nu, en sélectionnant les collisions intéressantes de façon à maximiser les contributions d’un signal potentiel et de minimiser celles du bruit de fond associé. Mais parfois, cela ne suffit pas et le signal nous échappe.

Les particules composites légères correspondent exactement à cela. Ce travail de certains collègues démontre que les données actuelles ne permettent pas de sonder les particules composites légères. Même le LHC n’y peut rien : le bruit de fond associé aux traces de notre particule légère est tout simplement trop important. Il nous faut donc regarder vers le futur…

^{[Crédits: CERN]}

Pour cette raison, avec mes collaborateurs nous avons commencé à étudier comment les projets de collisionneurs futurs pourraient nous aider. Ici, simplement construire un super LHC ne sert a rien. On reproduirait à l’identique les problèmes de bruit de fond liés au LHC.

Parmi les possibilités discutées dans la communauté de physique des particules se trouvent celles des collisionneurs électrons-positrons à plus basse énergie, qui sont prévus pour accumuler une quantité incroyable de données. On peut ainsi espérer y trouver des traces de nouveaux phénomènes même extrêmement rares.

Et donc, pourquoi pas notre particule composite légère ? Peut-on la détecter ? En fait, notre étude a prouvé que cela n’était pas si évident que cela…

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Le machine learning à la rescousse!

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Afin de déterminer si un signal est observable, il est important de commencer par étudier ses propriétés.

Avec mes collaborateurs, nous avons scruté tout un tas d’observables liés aux signes de notre signal composite léger aux collisionneurs électrons-positrons. En comparant les mêmes observables, mais pour le bruit de fond, nous avons alors proposé une sélection d’événements dédiée. Le but ici est de sélectionner certains événements (ou collisions) en fonction de leurs propriétés, et d’essayer de sélectionner la majeure partie des contributions d’un signal potentiel et aussi peu de bruit de fond que possible.

Un exemple de propriété utile se trouve ci-dessous.

^{[Crédits: PRD 102 (2020) 035030 ]}

La propriété observable choisie se trouve représentée sur l’axe X de la figure (ce qu’elle est est peu important pour le but de cette discussion). L’axe Y est normalisé arbitrairement, car le but est uniquement de comparer la forme de la distribution du signal à celle du bruit de fond. Si cette forme est différente, on peut utiliser la propriété pour se débarrasser d’une bonne quantité de bruit de fond et sélectionner un bon tas d’événements de signal. Sinon, on passe à la propriété suivante.

Ici, nous avons une bonne propriété vu que la forme du bruit de fond (en pointillé) diffère de celle du signal (traits plein, une couleur par hypothèse de masse de la particule composite légère).

Malheureusement, bien que de nombreuses variables soient prometteuses, cela n’a pas suffit pour rendre le signal visible. Nous avons alors utilisé un algorithme d’arbre de décision boosté, et le machine learning a changé notre vie !

En optimisant l’utilisation de toutes les propriétés intéressantes que nous avions trouvé, nous avons pu démontrer que si la particule composite légère n’était ni trop lourde ni trop légère, alors il y aura moyen de l’observer dans les collisionneurs électrons-positrons futurs. Ainsi, même une machine fonctionnant à basse énergie pourrait être utilisée pour observer des nouveaux phénomènes de façon directe !

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Résumé du blog en 27 secondes

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Dan ce blog, j’ai discuté (une fois de plus, pauvre de vous) les modèles composites en tant qu’extensions potentielles du Modèle Standard de la physique des particules. L’idée derrière tout ça est assez simple. Le boson de Higgs mène à de nombreux soucis dans le Modèle Standard. Afin de les éviter, on se débarrasse simplement du boson de Higgs en tant que particule élémentaire.

À la place, on ajoute au Modèle Standard des nouvelles particules, plus lourdes, qui vont former de nouvelles particules composites en raison d’une nouvelle interaction fondamentale. Cela nous mène à un vrai zoo plein de nouvelles particules composites. Parmi elles, certaines sont très légères, et ces dernières doivent inclure une particule qui ressemble trait pour trait à un boson de Higgs. Car après tout, les données sont les données…

Il est bien connu qu’il est possible d’arriver à une telle construction de façon satisfaisante. Cela mène cependant automatiquement à l’émergence d’une particule très légère. C’est ici que notre histoire commence. Dans cette étude à laquelle ce blog est dédié, mes collaborateurs et moi-même avons creusé cette idée de particule légère et regardé ce que nous pouvions en apprendre aux collisionneurs de particules.

^{[Crédits: CERN]}

Le plus gros problème vient du bruit de fond associé à tout signal de cette particule, qui est juste énorme. Pour cette raison, un collisionneur proton-proton ne peut rien nous apporter (que cela soit le LHC ou l’un de ses successeurs).

Mais parmi les projets de collisionneurs futurs, nous avons aussi des machines électrons-positrons. Bien que leur énergie soit plus faible, elles ont pas mal d’autres avantages. On a montré qu’en fait à l’aide de méthodes de machine learning et grâce à la grosse quantité de données que ces machines ont prévu de collecter, on pourra observer un signal comme celui d’une particule composite très légère. Mais cette particule ne peut ni être trop légère, ni moyennement lourde, sinon notre stratégie d’analyse ne fonctionnera pas.

Cependant, si la nature est sympa avec nous et est composite, et qu’il existe une particule légère pile de la bonne masse (attention on a quand même un peu de marge de manœuvre), alors on pourra utiliser les expériences construites autour des collisionneurs futurs électrons-positrons pour découvrir cela !

Et voilà pour aujourd’hui. Je rends l’antenne (ou le clavier plutôt) et vous dis à la semaine prochaine pour de nouvelles aventures qui seront plus sombres... Comme d’habitude, pour les questions et commentaires, n’hésitez pas à vous lâcher dans la section correspondante de ce blog.

Bon week-end en avance !