La famille d’expériences du LHC continue de s’agrandir. Aux côtés des quatre expériences principales, une nouvelle génération d’expériences plus petites contribue à la recherche de particules prédites par des théories au-delà du Modèle standard, la théorie actuelle de la physique des particules. C’est ainsi que l’expérience FORMOSA, expérience de démonstration qui va traquer des particules millichargées, vient d’être installée dans la caverne abritant le détecteur FASER, 480 mètres en aval du point d’interaction d’ATLAS. Elle s’apprête à collecter ses premières données.
Selon certaines théories, il existerait des particules élémentaires millichargées, dont la charge serait bien plus faible que celle de l’électron. Si c’est le cas, elles constitueraient des indices de l’existence d’une physique au-delà du Modèle standard et pourraient être considérées comme des candidates à la matière noire.
L’installation FORMOSA a pour but de prouver la faisabilité de l’expérience finale, qui devrait être installée dans un hall souterrain situé à environ 620 mètres du point d’interaction d’ATLAS. Cette nouvelle zone d’expériences, l’installation de physique des petits angles, est actuellement à l’étude dans le cadre de l’initiative Physique au-delà des collisionneurs. Elle devrait accueillir plusieurs expériences qui rechercheront les particules à vie longue prédites par des théories au-delà du Modèle standard. Ces particules seraient produites par des collisions au cœur du détecteur ATLAS et interagiraient faiblement avec les particules du Modèle standard. Si elles sont approuvées, les expériences proposées, notamment FASERν 2 et FLArE, pourraient commencer à collecter des données quand le LHC à haute luminosité sera mis en service, en 2029.
L’expérience FORMOSA comprend des scintillateurs. Lorsqu’ils interagissent avec une particule chargée, les scintillateurs émettent des photons qui sont ensuite convertis en un signal électrique. Ces scintillateurs pourraient aussi être percutés par des muons cosmiques ou des muons issus de collisions à ATLAS ; toutefois, la quantité d’énergie déposée normalement par des particules millichargées sur chaque couche serait très faible, ce qui permettrait de les différencier des muons traversant le détecteur.
« Les premières études réalisées avec ce qu’on appelle des données sans faisceau et des tests de source semblent déjà prometteuses. C’est une étape importante en vue d’un possible démarrage de l’expérience de démonstration cette année, et cela montre l’esprit collaboratif qui anime les projets auprès de l’installation de physique des petits angles », explique Matthew Citron, responsable du projet, de l’Université de Californie à Davis.
Depuis quelques années, les particules millichargées suscitent un intérêt particulier dans la recherche. Le détecteur MilliQan, situé à 33 mètres du point d’interaction de CMS, et le détecteur MoEDAL-MAPP, tout proche de LHCb, ont commencé à récolter des données pendant la troisième période d’exploitation du LHC. En 2020, une étude menée avec un détecteur de démonstration plus petit, MilliQan, avait permis d’exclure l’existence de particules millichargées pour des masses et des charges comprises dans une certaine fourchette. Grâce à un plus grand volume de détection et à sa localisation dans la région des petits angles des collisions du LHC, l’expérience devrait pouvoir étendre ses recherches à de nouveaux territoires.