Genève. La Commission de la recherche du CERN a approuvé aujourd'hui une nouvelle expérience auprès du LHC, qui s'intéressera aux particules légères interagissant faiblement. L'expérience FASER (Forward Search Experiment) complètera le programme de physique de l'Organisation en élargissant son potentiel de découverte à plusieurs nouvelles particules. Certaines d’entre elles sont associées à la matière noire, un type de matière hypothétique qui, n'étant pas sensible à la force électromagnétique, ne peut émettre de la lumière, ce qui la rend difficile à détecter. Les données astrophysiques montrent que la matière noire représente environ 27 % de l'Univers ; elle n'a toutefois jamais été observée ni étudiée en laboratoire.
En raison de l'intérêt croissant pour les particules qui restent encore à découvrir, notamment les particules à longue durée de vie et celles de la matière noire, de nouvelles expériences ont été proposées pour accroître le potentiel scientifique du complexe d'accélérateurs et de l'infrastructure du CERN dans le cadre de l'étude sur la physique au-delà des collisionneurs (étude PBC), sous l'égide de laquelle est menée l'expérience FASER. « Cette expérience innovante contribue à diversifier le programme de physique des collisionneurs tels que le LHC et permet d'aborder sous un angle différent les questions restées sans réponse sur la physique des particules », explique Mike Lamont, co-coordinateur du groupe d'étude PBC.
Les quatre détecteurs principaux du LHC ne sont pas en mesure de détecter les particules légères interagissant faiblement qui pourraient être produites parallèlement à la ligne de faisceau. Celles-ci pourraient parcourir des centaines de mètres sans interagir avec de la matière, avant de se transformer en particules connues et détectables, comme des électrons et des positons. Il se peut que de telles particules exotiques échappent aux détecteurs existants le long des lignes de faisceau et passent ainsi inaperçues. C'est la raison pour laquelle le détecteur FASER sera placé sur la trajectoire du faisceau, 480 mètres en aval du point d'interaction d'ATLAS. Alors que la trajectoire des protons des faisceaux sera incurvée par les aimants du LHC, les particules légères interagissant très faiblement poursuivront leur route en ligne droite, et leurs « produits de désintégration » pourront alors être détectés par FASER. Les nouvelles particules potentielles resteraient fortement alignées avec le faisceau, se dispersant très peu, ce qui permettrait à un détecteur relativement petit et peu coûteux de les rechercher avec un haut degré de sensibilité.
La longueur totale du détecteur est inférieure à cinq mètres et sa principale structure cylindrique a un rayon de 10 centimètres. Il sera installé dans un tunnel latéral le long d'une ligne de transfert inutilisée qui relie le LHC à son injecteur, le Supersynchrotron à protons. Pour que FASER puisse être construit rapidement et à moindre coût, des pièces de rechange de détecteurs, fournies gracieusement par les expériences ATLAS et LHCb, seront utilisées. La collaboration responsable de sa construction et des futures expériences, qui regroupe 16 instituts, est soutenue par la Fondation Heising-Simons et la Fondation Simons.
L'objectif de FASER sera de rechercher une classe de particules hypothétiques, en particulier des « photons noirs », qui sont associés à la matière noire, ainsi que des neutralinos et d'autres particules. L'expérience sera installée au cours de l'actuel second long arrêt du LHC et sera prête à acquérir des données à partir de la troisième période d'exploitation du collisionneur, entre 2021 et 2023.
« C'est vraiment formidable que l'expérience FASER puisse être installée au CERN. De plus, la collaboration a été mise sur pied en un temps record et nous avons tous hâte d'enregistrer nos premières données lorsque le LHC redémarrera en 2021 », explique Jamie Boyd, co-porte-parole de l'expérience FASER.
« FASER est un projet intéressant en ce qu'il aborde un point particulier de la quête d'une physique au-delà du Modèle standard ; je suis heureux de le voir se réaliser avec autant d'efficacité », ajoute Eckhard Elsen, directeur de la recherche et de l’informatique du CERN.