Le Grand collisionneur de hadrons enregistre depuis longtemps de brèves pertes de faisceau causées par des poussières micrométriques entrant dans les faisceaux de protons. Deux physiciens proposent qu'une petite fraction de ces événements puisse être déclenchée par des pépites de quarks axioniques traversant la roche voisine. Aucune matière noire de ce type n'a été détectée, mais les corrélations temporelles autour de l'anneau offrent un test direct du modèle.
Points clés
- Au LHC, un UFO est un événement soudain de perte de faisceau, généralement attribué à une poussière micrométrique pénétrant dans un faisceau de protons ; il ne s'agit pas de l'observation d'un engin extraterrestre.
- Un article de deux auteurs publié dans Physical Review D propose que des pépites d'antimatière de quarks axioniques pesant environ 5 à 1 000 grammes puissent produire des ondes de choc acoustiques en traversant la roche dans un rayon d'environ 100 kilomètres du LHC.
- Le modèle estime qu'environ 1 % à 10 % des événements UFO pourraient provenir de ce mécanisme ; cette proportion repose sur des hypothèses et l'étude n'identifie aucune pépite de quarks axioniques dans les données du LHC.
- La signature la plus nette serait constituée de plusieurs événements UFO corrélés en des points très éloignés de l'anneau, dans un intervalle d'environ 6 millisecondes à 2 secondes, un motif que des événements de poussière locaux ordinaires ont moins de chances de produire.
- Le calcul indique que trois événements corrélés en moins de deux secondes pourraient donner un rapport signal sur bruit supérieur à 5 sur toute la plage de masses supposée après environ 360 heures de mesure ; l'atténuation dans la roche, la distribution des poussières et les bruits de fond corrélés doivent encore être testés avec des données réelles.
Le Grand collisionneur de hadrons pourrait faire davantage que collisionner des protons à la recherche de nouvelles particules. Il pourrait aussi servir de stéthoscope souterrain géant, à l'écoute des vibrations laissées par le passage dans la roche d'un candidat macroscopique à la matière noire. Les physiciens Xunyu Liang et Ariel Zhitnitsky, de l'Université de la Colombie-Britannique, proposent dans Physical Review D d'utiliser le système existant de surveillance des pertes de faisceau du LHC pour rechercher des événements multipoints produits par des pépites de quarks axioniques, ou AQN.
Il s'agit d'un modèle en attente d'un test par les données, et non d'une découverte de matière noire. Selon les hypothèses AQN de l'article, environ 1 % à 10 % des événements d'objets tombants non identifiés, ou UFO, du LHC pourraient être liés à ce mécanisme. Les auteurs n'ont désigné aucun événement comme signal AQN confirmé. L'intérêt de la proposition est de définir un motif temporel et spatial qui peut être recherché, contraint ou exclu.
Dans un collisionneur, un UFO est une alarme de poussière
Depuis 2010, le LHC enregistre une catégorie de brèves pertes de faisceau dans lesquelles une poussière micrométrique se détache de la surface de l'écran de faisceau, se charge électriquement, est attirée vers un faisceau de protons puis subit des collisions inélastiques avec des protons de haute énergie. Un événement typique ne dure qu'environ 0,1 milliseconde à quelques millisecondes, mais il peut déclencher l'évacuation du faisceau et même provoquer une transition résistive d'un aimant supraconducteur. L'exploitation du CERN et les études expérimentales ont accumulé de solides preuves en faveur de l'explication par la poussière. La manière dont la plupart des grains fixés au bas de l'écran sont initialement libérés reste moins claire.
Environ 4 000 moniteurs de pertes de faisceau sont répartis le long de l'anneau de 27 kilomètres du LHC afin de protéger la machine lorsqu'un faisceau de particules dévie. Un grain isolé entrant dans un faisceau produit généralement un pic local de l'ordre de la milliseconde. Mais si une perturbation mécanique externe traverse l'ensemble de l'installation, des moniteurs situés à des positions très éloignées pourraient enregistrer des événements successifs. La nouvelle proposition se concentre sur cette combinaison de corrélations spatiale et temporelle.
Comment un candidat macroscopique pourrait détacher la poussière à travers la roche
Une AQN est un hypothétique amas de matière de quarks à densité nucléaire, stabilisé par un champ d'axions ; le modèle permet la coexistence de versions de matière et d'antimatière. Elle se distingue des particules massives à interaction faible ou des axions individuels recherchés habituellement. L'article considère des pépites d'une masse d'environ 5 à 1 000 grammes. Leur volume resterait minuscule, tandis que leur nombre et leur fréquence de passage à travers la Terre seraient relativement faibles. Le mécanisme se concentre sur les AQN d'antimatière, car elles pourraient s'annihiler avec la matière ordinaire après leur entrée dans la Terre et libérer de l'énergie.
Dans le modèle acoustique de l'article, une AQN d'antimatière se déplaçant rapidement sous terre génère une onde de choc le long de sa trajectoire. Si celle-ci passe à moins d'environ 100 kilomètres du LHC, la perturbation de pression atteignant le tunnel pourrait vaincre l'adhérence de certains grains sur l'écran de faisceau et les faire tomber dans le tube à vide. Ce n'est qu'ensuite que la poussière interagirait avec un faisceau de protons et provoquerait une perte de faisceau UFO familière. Autrement dit, le modèle ne suppose pas que la matière noire frappe directement le faisceau de protons.
Cette chaîne causale comprend plusieurs estimations : masse et flux des AQN, énergie d'annihilation dans la roche, pression et fréquence acoustiques, atténuation lors de la propagation dans la roche, ainsi que taille, emplacement et adhérence des poussières sur l'écran de faisceau. L'article reconnaît que l'absorption du son dans les solides est complexe et que son hypothèse de faible atténuation doit être étalonnée expérimentalement. Un calcul montrant que la poussière pourrait être délogée ne constitue donc pas la preuve que la machine a déjà mesuré ce mécanisme.
Une empreinte qui parcourt l'anneau en moins de deux secondes
Les sources locales de poussière n'affectent normalement que les sections voisines. Dans le modèle, une onde acoustique générée par une AQN pourrait au contraire traverser l'anneau du LHC, d'environ 8,5 kilomètres de diamètre. Les auteurs recommandent donc de rechercher une rafale d'UFO : plusieurs événements survenant à des positions distinctes autour de l'anneau dans un intervalle d'environ 6 millisecondes à 2 secondes, avec des différences de temps d'arrivée compatibles avec la direction de l'onde et les distances entre les moniteurs. Cette corrélation à longue portée et à courte échéance permet de mieux rejeter le bruit de fond aléatoire qu'une perte de faisceau isolée.
L'étude adopte de manière prudente un bruit de fond ne dépassant pas 10 événements UFO ordinaires par heure et suppose environ 12 heures de fonctionnement du LHC par jour. Son calcul indique qu'après environ 360 heures de données, deux événements corrélés ne seraient fortement distinctifs que pour des AQN plus lourdes. Trois événements corrélés dans la même fenêtre de deux secondes pourraient produire un rapport signal sur bruit supérieur à 5 sur toute la plage de masses utilisée dans l'article. Ces valeurs sont des prévisions de sensibilité du modèle, et non une signification expérimentale déjà atteinte.
Les moniteurs existants du LHC rendent ce test possible sans construire un nouveau grand détecteur de matière noire, mais une analyse fiable devrait tout de même tenir compte de l'état de la machine, de l'activité des poussières et d'autres bruits vibratoires. Les auteurs proposent aussi de comparer les pertes de faisceau au réseau sismique du CERN, à la détection acoustique distribuée et aux données infrasonores. Des temps d'arrivée compatibles entre différents systèmes pourraient aider à distinguer un front d'onde commun d'un bruit mécanique local.
Faire répondre d'anciens moniteurs à une nouvelle question
L'étape suivante la plus directe n'est pas d'annoncer une découverte, mais de réanalyser les relevés de pertes de faisceau avec des critères de sélection explicites : repérer les UFO interrégionaux en moins de deux secondes, vérifier si leurs positions correspondent à un même front d'onde en propagation et contrôler les bruits de fond sismiques et acoustiques. Si la proportion attendue de candidats est absente, les données pourraient au contraire contraindre la distribution de masse, le flux ou le couplage acoustique des AQN.
La proposition est séduisante parce qu'elle réaffecte un réseau de capteurs conçu pour la sécurité de la machine à l'étude d'un modèle macroscopique de matière noire, à la frontière de la physique des particules et de la cosmologie. Les AQN restent toutefois hypothétiques, tandis que la propagation acoustique et le détachement des poussières comportent d'importantes incertitudes. Seule une analyse transparente éliminant les bruits de fonctionnement connus et trouvant un signal cohérent dans des systèmes de détection indépendants pourrait commencer à transformer une anomalie entendue par ce stéthoscope souterrain en indice de matière noire.