SHiP : un vaisseau pour explorer de nouvelles contrées
SHiP (Search for Hidden Particles) est un nouveau projet d’installation que doit accueillir l’accélérateur SPS du CERN. Ses objectifs ambitieux comprennent la recherche directe de particules cachées n’appartenant pas au Modèle standard. Prédites par de nombreux modèles théoriques, ces particules pourraient avoir échappé aux détecteurs du LHC en raison de leurs caractéristiques particulières. Lors de leur premier colloque, qui a eu lieu le 2 juillet au CERN, les scientifiques de SHiP ont montré à l’ensemble de la communauté de quelle manière ils prévoient de lever le voile sur cet univers mystérieux.
L'expérience SHiP est destinée à être installée près de la zone Nord du SPS.
Les puissants accélérateurs tels que le LHC permettent aux physiciens d’étudier en détail les phénomènes primordiaux qui ont lieu à des densités d’énergie équivalentes à celles qui existaient quelques instants après le Big Bang. Ainsi, grâce à la haute précision des expériences du LHC, les scientifiques ont été en mesure de confirmer l’ensemble des prédictions du Modèle standard, y compris l’existence d’un boson de Higgs. Mais la nouvelle physique, c’est-à-dire les particules et phénomènes qui expliqueraient les lacunes décelées dans le Modèle standard et pourraient également apporter des éléments d’explication sur la matière noire et l’énergie noire (qui constituent respectivement 25 % et 70 % de l’Univers), semble se cacher dans des régions encore inexplorées.
Plusieurs modèles théoriques prédisent l’existence de particules qui interagiraient très faiblement avec les particules du Modèle standard, seraient très rares et auraient généralement de très longues durées de vie. Ces particules, appelées génériquement « particules cachées », sont visées par la nouvelle expérience proposée, SHiP. « La découverte d’une particule interagissant très faiblement et n’appartenant pas au Modèle standard constituerait une avancée extraordinaire dans notre compréhension de la physique des particules et de l’Univers, explique Andreï Golutvin, porte-parole de SHiP. L’expérience SHiP vise à chercher ces particules exotiques, par exemple des leptons neutres lourds, des photons noirs, des particules scalaires légères, des particules supersymétriques et des particules ressemblant aux axions. »
Conçue pour être située à côté de la zone Nord du SPS, l’installation SHiP serait accueillie dans un hall souterrain de 120 m de long sur 20 m de large, en aval d’une ligne d’extraction de faisceau spécifique de 150 m et d’une installation de cible sur le site de Prévessin. Les particules du Modèle standard qui seraient produites lorsque les protons du SPS frapperont la cible de SHiP commenceraient à interagir et à se désintégrer selon leurs couplages respectifs. Les particules cachées, par contre, étant donné leur couplage très faible, poursuivraient leur route et atteindraient le dispositif SHiP, où elles se désintégreraient et produiraient des particules détectables.
Vue d'ensemble de l'installation SHiP.
L’identification précise d’un candidat pour ces particules cachées est toutefois possible uniquement si le bruit de fond est extrêmement bien connu et peut être réduit à un niveau sans précédent. La cible est un élément central de l’installation SHiP. « Afin de réduire autant que possible le bruit de fond des neutrinos, la cible proposée est conçue en molybdène enduit de titane et zirconium, un matériau ayant une longueur d’interaction nucléaire courte, dans des dimensions qui puissent contenir la gerbe de protons, explique Richard Jacobsson, qui coordonne le projet du détecteur et de l’installation. Ensuite, un écran actif de 50 m de long reposant sur la technologie du balayage magnétique fait dévier le flux de muons à partir du volume de désintégration du détecteur. Un autre élément contribue fortement à la suppression du bruit de fond : l’extraction lente du faisceau de protons du SPS, qui nous permet de diluer la puissance de faisceau de 2,6 MW se déposant sur la cible à chaque injection et de réduire sensiblement le risque de bruit de fond lié à des combinaisons de particules résiduelles formant de faux vertex de désintégrations. »
Environ 200 scientifiques de 14 pays du monde entier ont participé jusqu’ici aux travaux sur SHiP. Le projet est actuellement en cours d'évaluation par le Comité des expériences SPS, ce qui se poursuivra jusqu'à l'automne. Cette semaine, la collaboration a invité l’ensemble de la communauté scientifique pour débattre de l’intérêt scientifique de SHiP, à l’occasion d’un colloque qui s’est tenu au CERN. « Les discussions qui ont eu lieu entre les participants au colloque étaient très encourageantes, commente Andreï Golutvin. Nous envisageons maintenant avec confiance les prochaines phases du processus d’évaluation de la faisabilité. »
