Comment es symétries cachées et les interactions faibles façonnent les neutrinos et la matière noire
Avec le soutien du programme Actions Marie Skłodowska-Curie, le projet HIDDeN(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) s’est fixé pour objectif de découvrir comment la nature fonctionne à son niveau le plus fondamental. La recherche s’est concentrée sur les éléments constitutifs invisibles de l’univers (les neutrinos et la matière noire) et sur la découverte des (a)symétries cachées qui régissent ces particules. «La mission ultime de HIDDeN était de révéler des aspects cachés de l’univers: pourquoi les neutrinos ont une masse, ce qu’est la matière noire et le déséquilibre entre les baryons (matière) et les antibaryons (antimatière). Ces découvertes pourraient construire une nouvelle version élargie du modèle standard», souligne Silvia Pascoli, la coordinatrice du projet.
Le rôle des neutrinos dans les énigmes cosmiques
HIDDeN a largement contribué à l’effort mondial visant à étudier comment les neutrinos pourraient inaugurer une nouvelle physique. Il a contribué à des expériences fondamentales étudiant les masses des neutrinos, la manière dont ils changent de type (mélange) et les différences entre les neutrinos et les antineutrinos (violation de CP), des facteurs qui pourraient expliquer pourquoi l’univers contient plus de matière que d’antimatière. Jouant également un rôle central dans les recherches sur la double désintégration bêta sans neutrino, HIDDeN entendait révéler si les neutrinos étaient leurs propres antiparticules. «Si cela est prouvé, cela briserait une règle fondamentale appelée conservation du nombre de leptons et aiderait les chercheurs à comprendre comment les neutrinos obtiennent leur masse», explique Silvia Pascoli. «Nous avons exploré des extensions du modèle standard pour tenir compte des masses des neutrinos, concentrant nos efforts sur les symétries cachées et les connexions avec d’autres problèmes ouverts en physique», confie-t-elle. «De plus, nous avons analysé les données expérimentales afin d’affiner les contraintes sur les paramètres d’oscillation des neutrinos, offrant ainsi de nouvelles perspectives sur les masses et le mélange des neutrinos.» L’équipe a également mis à jour les contraintes sur les neutrinos stériles lourds et très légers, en étudiant la manière dont les neutrinos pourraient agir comme un portail vers la physique du secteur sombre.
De nouveaux candidats pour la matière noire
HIDDeN a également réalisé de considérables progrès dans la recherche de la matière noire. Les recherches directes de cette masse indétectable par des moyens ordinaires entrent dans une nouvelle ère avec le développement de détecteurs de xénon à l’échelle de la tonne, où HIDDeN a joué un rôle prépondérant. «Alors que les WIMP (weakly interacting massive particles) étaient autrefois l’objectif principal, des contraintes expérimentales strictes ont déplacé l’attention vers d’autres candidats à la matière noire sur une gamme d’échelles de masse», souligne Silvia Pascoli. «La matière noire axionique, par exemple, suscite un intérêt croissant, et de nouvelles expériences devraient permettre de considérablement améliorer la sensibilité.» De plus, des modèles impliquant des interactions cachées ou de la matière noire «gelée», qui reposent sur des interactions extrêmement faibles, sont activement explorés. «Nous avons proposé de nouvelles explications pour l’abondance de la matière noire en utilisant des axions et une théorie avancée du champ effectif pour les particules de type axion afin de permettre une meilleure interprétation des données expérimentales et une nouvelle identification du signal», ajoute Silvia Pascoli. Les chercheurs ont également étudié si les interactions des FIMP (feebly interacting massive particles) pourraient avoir une origine gravitationnelle et des contraintes affinées sur les modèles de matière noire de type WIMP.
Un collisionneur pour trouver des particules cachées
HIDDeN a élargi son champ d’action aux recherches basées sur des collisionneurs de particules, en ciblant une nouvelle physique liée aux masses des neutrinos, au problème de CP fort et à la matière noire. L’équipe a optimisé les analyses pour détecter les FIMP en dessous de l’échelle du TeV, qui sont souvent manqués en raison de leur longue durée de vie et de leurs signaux subtils. Des recherches de signaux déplacés ont également été menées, tandis que des candidats FIMP plus légers, notamment des axions, des photons sombres et des neutrinos stériles lourds, ont également été explorés par le biais d’observations astrophysiques et cosmologiques. «Les collisionneurs sont essentiels pour sonder la physique à grande échelle. Des outils performants de théorie des champs comme SMEFT aident à analyser les écarts par rapport au modèle standard, tels que les anomalies de saveur, tandis que les collisionneurs peuvent produire directement des FIMP à des échelles inférieures. HIDDeN a fait progresser les approches théoriques et expérimentales pour découvrir ces particules insaisissables», conclut Silvia Pascoli.
