Shining Light on the Dark Sector: Search for Axion-like Particles and Other New Physics in Photonic Final States with FASER

Au plus profond du monde subatomique, les physiciens soupçonnent depuis longtemps que l'univers est bien plus peuplé que ce que suggère le modèle standard de la physique des particules. Ce cadre établi décrit avec succès les briques élémentaires connues de la matière et les forces qui les régissent, mais il omet une pièce cruciale du puzzle : la matière noire. Bien que nous sachions que la matière noire existe en raison de son attraction gravitationnelle sur les galaxies, nous n'avons jamais détecté directement les particules qui la composent. De nombreuses théories proposent que ces particules cachées sont légères, interagissent faiblement et sont peut-être de longue durée de vie, ce qui signifie qu'elles peuvent parcourir de vastes distances avant de disparaître. Si de telles particules existent, elles pourraient être produites lors des collisions violentes de protons au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC), pour ensuite glisser à travers les détecteurs massifs conçus pour capturer la matière ordinaire et voyager des centaines de mètres dans la roche environnante. Les trouver permettrait non seulement de révéler la nature de la matière noire, mais ouvrirait également une fenêtre sur un « secteur sombre » de la physique qui opère parallèlement à celui que nous connaissons.

Au Grand Collisionneur de Hadrons, une machine qui fracasse des protons les uns contre les autres à une vitesse proche de celle de la lumière, une expérience spécialisée appelée FASER est positionnée à 480 mètres du point de collision principal, nichée dans un tunnel étroit. Cet emplacement est stratégique ; il se situe directement sur le chemin des particules qui sont projetées vers l'avant lors des collisions, une région où les particules légères et évasives sont les plus susceptibles d'apparaître. Alors que les détecteurs principaux au site de collision sont entourés de couches épaisses de béton et de roche qui arrêtent presque tout, FASER est conçu pour capturer les rares particules capables de percer cette barrière. Dans ses derniers travaux, la collaboration FASER a porté son attention sur un type spécifique de particule hypothétique appelée particule de type axion. Ce sont des cousines théoriques de l'axion, une particule initialement proposée pour résoudre un mystère profond de la physique concernant la raison pour laquelle l'univers se comporte de la manière dont il le fait sous l'influence de la force nucléaire forte. Contraque les particules lourdes habituellement recherchées en physique des hautes énergies, ces particules de type axion sont légères et pourraient se désintégrer en paires de photons de haute énergie, ou particules de lumière, alors qu'elles traversent le détecteur.

Les chercheurs ont analysé les données collectées au cours des années 2022 et 2023, correspondant à une quantité massive de collisions proton-proton. Ils cherchaient une signature très spécifique : un sursaut soudain et intense d'énergie dans leur calorimètre électromagnétique, un dispositif qui mesure l'énergie des particules, sans aucun signal dans les systèmes de veto environnants qui indiquerait qu'une particule chargée est entrée. Puisque les particules hypothétiques sont neutres, elles passeraient à travers les détecteurs initiaux sans laisser de trace, pour ensuite se désintégrer en deux photons profondément à l'intérieur de l'instrument, créant un flash net et de haute énergie. L'équipe a dû être extrêmement prudente pour distinguer ce signal du bruit de fond, qui est dominé par les neutrinos. Les neutrinos sont des particules fantomatiques qui traversent également la roche et peuvent interagir avec le matériau du détecteur, imitant parfois la signature énergétique des particules recherchées. Pour gérer cela, les scientifiques ont utilisé des simulations informatiques sophistiquées pour prédire exactement combien d'interactions de neutrinos devraient se produire dans leur gamme d'énergie spécifique.

Le résultat de cette recherche méticuleuse fut un événement unique. Le détecteur a enregistré un cas où un dépôt d'énergie de haute intensité est apparu dans le calorimètre sans activité en amont, correspondant au profil attendu d'une particule de type axion en décomposition. Cependant, les calculs de l'équipe ont montré qu'ils s'attendaient à voir environ 0,44 interaction de neutrino pouvant ressembler exactement à cela, avec une marge d'incertitude qui rend l'observation d'un événement parfaitement cohérente avec le hasard. En d'autres termes, l'événement unique trouvé était probablement simplement un neutrino faisant ce que font les neutrinos, plutôt qu'une découverte de nouvelle physique. Parce que l'observation n'a pas dépassé de manière significative l'attente du bruit de fond, les chercheurs n'ont pas pu affirmer avoir trouvé une nouvelle particule. Au lieu de cela, ils ont utilisé ce résultat pour fixer de nouvelles limites mondiales sur l'endroit où ces particules pourraient exister.

En démontrant qu'aucun excès d'événements n'est apparu au-delà de ce que les neutrinos pouvaient expliquer, l'expérience a effectivement exclu un large éventail de possibilités pour ces particules de type axion. L'équipe a déterminé que si ces particules existent et interagissent avec la force nucléaire faible de la manière dont elles ont été modélisées, elles ne peuvent pas posséder certaines combinaisons de masse et de force d'interaction. Plus précisément, elles ont exclu la possibilité que ces particules aient des masses comprises entre 100 et 250 millions d'électronvolts avec des forces d'interaction comprises entre 3 x 10⁻⁵ et 5 x 10⁻⁴ GeV⁻¹. Ils ont également étendu ces limites à des masses plus lourdes, excluant des particules allant jusqu'à 300 millions d'électronvolts pour des interactions plus faibles. C'est une étape importante car cela sonde une région de l'espace des paramètres qui n'avait jamais été explorée auparavant, complétant d'autres expériences qui recherchent des versions plus légères ou plus lourdes de ces particules.

L'étude ne s'est pas arrêtée à un seul type de particule. Les mêmes données et méthodes d'analyse ont été appliquées à plusieurs autres modèles théoriques qui produiraient un flash lumineux similaire dans le détecteur. Cela incluait des modèles impliquant des particules qui interagissent avec les gluons, un type de vecteur de force dans le noyau, ainsi que de nouveaux types de particules porteuses de force liées au nombre de protons et de neutrons dans la matière, et des particules scalaires légères qui préfèrent interagir avec les quarks up. Pour chaque scénario, l'absence d'un excès significatif d'événements a permis à l'équipe de tracer de nouvelles frontières sur l'endroit où ces particules pourraient se cacher. Ils ont découvert que leur expérience est sensible à des régions de la physique cachée de l'univers qui étaient auparavant non contraintes, rétrécissant efficacement l'espace de recherche pour les découvertes futures.

Le succès de cette recherche a reposé largement sur la géométrie unique du détecteur FASER et sa capacité à filtrer le bruit de fond écrasant des particules ordinaires. Le détecteur est équipé de couches de matériau scintillant qui agissent comme un gardien, arrêtant toute particule chargée comme les muons pour qu'elles n'entrent pas dans le volume sensible. Seules les particules neutres peuvent franchir cette porte. Une fois à l'intérieur, le détecteur recherche le motif spécifique de dépôt d'énergie qui résulterait de la désintégration d'une particule en deux photons. L'analyse a nécessité une synchronisation précise pour s'assurer que l'événement se produise en phase avec les collisions de protons et un étalonnage minutieux pour garantir l'exactitude des mesures d'énergie. L'équipe a également dû tenir compte du fait que le faisceau de particules n'est pas parfaitement droit mais présente un léger angle, ce qui modifie légèrement la trajectoire des particules sur le voyage de 480 mètres.

Ce travail représente la première fois que FASER recherche de nouvelles particules qui se désintègrent en photons, marquant un nouveau chapitre dans son exploration du secteur sombre. Bien que l'événement unique observé ne fût pas une découverte, la capacité d'exclure tant de possibilités théoriques est un résultat scientifique puissant. Cela nous indique que si ces particules légères et de longue durée de vie existent, elles ont soit des interactions beaucoup plus faibles, soit des propriétés différentes de celles des modèles testés ici. L'expérience démontre que regarder loin en aval du point de collision est une stratégie viable et puissante pour trouver la physique que les détecteurs principaux manquent. À mesure que le Grand Collisionneur de Hadrons continue de fonctionner et de collecter plus de données, FASER sera capable de repousser ces limites encore plus loin, capturant potentiellement un jour la signature ténue d'une particule qui aura voyagé à travers la terre pour révéler les secrets du secteur sombre.