L’absence de la supersymétrie au LHC soulève des questions

Une théorie élégante, mais non prouvée est mise à mal par les nouvelles données issues de la collision des particules. Depuis des décennies, les physiciens se consacrent à cette théorie élégante connue comme la supersymétrie. Mais il semble que les nombreuses particules, prédites par cette hypothèse, n’existent que dans l’esprit des physiciens. Ou du moins, si elles existent, ces superpartenaires ne sont pas celles qui sont envisagées par les physiciens.

Rien dans les collisions du LHC

Les nouvelles données du Grand Collisionneur de Hadron fonctionnent à des énergies les plus élevées et on ne voit aucune trace des superpartenaires. Et même les partisans les plus fervents de la supersymétrie commencent à hausser les sourcils en se disant qu’ils ont été trop confiants. Cette abondance de confiance se paie souvent avec des bouteilles de Brandy. Le 22 aout 2016, un groupe de physicien avait parié que le LHC allait bientôt découvrir ces nouvelles particules. Et dans une réunion de physique à Copenhague, Nima Arkani-Hamed, a offert une bouteille de cognac aux physiciens qui avaient parié que ces particules seraient difficiles à trouver ou même qu’elles n’existent pas.

La supersymétrie prédit que les particules fondamentales connues possèdent des partenaires plus massives. Par exemple, l’électron possède un partenaire connu comme le Selectron et le partenaire du Boson de Higgs est le Higgsino. Les superpartenaires sont toujours plus massives que leurs homologues standards.

Que leur hypothèse préférée soit confirmée ou infirmée, de nombreux physiciens théoriciens sont excités par le fait que les nouvelles données du LHC les ramènent à la réalité. À la fin, la nature nous dira la vérité selon Yonit Hochberg de l’université de Cornell. La supersymétrie n’est pas infirmée par les nouvelles données, mais si les nouvelles particules existent, alors elles doivent être plus massives que les prévisions des scientifiques. Actuellement, la nature nous dit que si la supersymétrie est vraie, alors elle ne ressemble pas du tout à ce que nous avions pensé selon Hochberg.

Depuis juin 2015, le LHC au laboratoire du CERN à Genève provoque des collisions de protons à des niveaux d’énergies très élevés à près de 13 trillions d’électrons-volts. Les physiciens se demandent si de nouvelles particules vont sortir à ces énergies. Mais les résultats confirment uniquement le modèle standard de la physique, la théorie qui décrit les particules connues et leurs interactions.

Les limites du modèle standard de la physique

C’est un triomphe pour le modèle standard, mais une déception pour les physiciens qui veulent trouver des failles dans ce modèle. Il y a une petite panique selon Matthew Buckley, physicien théoricien à l’université de Rutgers. Pendant longtemps, nous n’avions aucune donnée et pendant cette période, les théoriciens ont débarqué avec des idées très intéressantes. Et maintenant, toutes ces idées se révèlent fausses.

Pour trouver des particules supersymétriques, les scientifiques au LHC cherchent des signatures particulières dans leurs données. La collision dans cette image, issue de l’expérience ATLAS au LHC, a été sélectionnée comme un candidat de particules supersymétriques. Dans cette image, les rectangles indiquent les composants du détecteur et les 5 cônes indiquent les jets de particules produites dans la collision. Les scientifiques n’ont trouvé aucune trace de nouvelles particules – ATLAS

Et les physiciens savent que le modèle standard doit casser quelque part. Car il n’explique pas pourquoi l’univers contient plus de matière que d’antimatière et il n’explique pas l’origine de la matière et de l’énergie noire, 2 composants qui constituent 95 % de la matière et de l’énergie dans le cosmos. Même la découverte triomphale de 2012 au LHC avec le Boson de Higgs pointe des failles dans le modèle standard. La masse du Boson de Giggs, à 125 milliards électrons-volts, est largement inférieure à celle qui est prédite par la théorie. Cette masse, selon les physiciens, n’est pas naturelle et les facteurs qui contribuent à cette masse doivent être peaufinés afin de correspondre à cette taille inférieure.

Parmi les nombreuses théories qui tentent de corriger le modèle standard, la supersymétrie est la plus populaire. La supersymétrie est le paradigme dominant pendant les 30 dernières années parce qu’elle est belle et vraiment parfaite selon Nathaniel Craig de l’université de Californie. Mais la supersymétrie perd de sa beauté puisque les collisions en LHC ne révèlent aucune trace des superpartenaires.

L’élégance de la supersymétrie

La supersymétrie résout 3 principaux problèmes en physique. Elle explique pourquoi le Boson de Higgs est si léger, elle fournit une particule pour la matière noire et elle implique que les 3 forces du modèle standard (l’électromagnétisme et les forces nucléaires fortes et faibles) s’unissent en une seule à des énergies élevées. Si une version simplifiée de la supersymétrie était correcte, alors le LHC aurait déjà dû détecter les superpartenaires. Mais le LHC infirme de telles particules même avec des masses élevées. Et le souci est qu’il faudra faire des acrobaties théoriques pour adapter la symétrie si on trouve de nouvelles particules à l’avenir. Et elle perdra de son élégance par la même occasion. Si la supersymétrie existe, alors elle n’est pas celle de mes parents selon Buckley. Cela signifie qu’elle n’est pas la version la plus élégante appréciée de tous.

Mais de nombreux physiciens sont plus prudents avec une attitude Relax, ce n’est que la mi-temps. Ils n’abandonnent pas l’apparition des nouvelles particules. Je ne suis pas inquiet selon Carlos Wagner, physicien théoricien à l’Argonne National Laboratory en Illinois. Je pense que c’est trop tôt. Nous avons à peine commencé le processus. Le LHC n’a fourni que 1 % de toutes les données qu’il va délivrer pendant toute son existence. C’est trop optimiste de dire qu’on va trouver de nouveaux phénomènes en allumant simplement la machine.

Les physiciens expérimentaux estiment également qu’il y a de la place pour de nouvelles découvertes. Mais cela prendra des années pour les trouver. Je serais très heureux si nous découvrons de nouveaux phénomènes tels qu’un nouvel état de la matière dans les 2 à 3 prochaines années selon Tiziano Camporesi de l’expérience CMS du LHC. Cela signifierait que la nature a été gentille avec nous. Mais d’autres scientifiques espéraient déjà des découvertes. Le fait que nous n’avons rien trouvé est surprenant pour toute la communauté selon Guy Wilkinson, porte-parole de l’expérience LHCb. Ce n’est pas un échec, mais ça nous dit quelque chose. L’absence de nouvelles particules force les physiciens théoriciens à considérer de nouvelles explications pour la masse de Higgs. Pour rester cohérentes avec les données, ces explications ne créent pas de nouvelles particules que le LHC aurait déjà dû voir.

Des hypothèses alternatives

Certains physiciens, notamment de la jeune génération, sont prêts à passer à autre chose. Je ne suis pas personnellement attaché à la supersymétrie selon David Kaplan de l’université John Hopkins. Kaplan et ses collègues ont proposé récemment une nouvelle idée appelée hypothèse de relaxation qui permet au Higgs de changer pendant l’évolution de l’univers. Avec cette hypothèse, la masse de Higgs est bloquée sur une petite valeur en n’atteignant jamais la masse prédite par la théorie.

Une autre idée, appréciée par Craig, est une famille d’hypothèse appelée Neutral Naturalness. Comme la supersymétrie, cette hypothèse propose des symétries de la nature qui résout le problème de la masse de Higgs, mais elle ne prédit pas les nouvelles particules. Ces théories sont loin d’être élégantes que la supersymétrie, mais elles correspondent avec les données du LHC selon Craig.

La troisième hypothèse, la plus controversée, est celle du multivers. On pourrait avoir des milliards d’autres univers avec des masses différentes de Higgs dans chacun d’entre eux. Peut-être que les humains observent un Higgs léger parce qu’une petite masse est nécessaire pour que des éléments lourds, tels que le carbone, puissent être produits dans les étoiles. Nous vivons dans un univers avec un Higgs léger parce que c’est le seul type d’univers où la vie peut exister. Il est possible que les peurs des physiciens se réalisent. Que le LHC montre seulement le boson de Higgs et rien d’autre. Un tel résultat laisserait les physiciens théoriciens dans le noir, car ils ne pourraient pas progresser. Mais encore une fois selon Hochberg, si c’est le cas, alors nous apprendrons qu’il y a quelque chose de très profond concernant la nature.

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