Toutes nos amours, toutes nos pensées, toutes nos engueulades, toutes nos relations ne sont que des collisions. Des collisions de vies, de pensées, d'émotions positives ou négatives, qui sont les briques élémentaires de nos sensibilités. Le paradoxe est que nous passons notre existence à les éviter, à amortir les chocs, alors même que tout ce qui nous constitue naît précisément de ces impacts.

À l'échelle subatomique, rien n'existe sans interaction. Une particule isolée n'est qu'une abstraction mathématique. Elle ne devient observable, mesurable, réelle, qu'au moment où elle entre en collision.
Nous ne sommes pas différents.
Une vie sans heurt, n'est que théorique.

Sur la piste du Big Bang

Peu après le Big Bang, l'univers n'était qu'une soupe primordiale extrêmement chaude, souvent décrit comme un plasma de quarks et de gluons. Mais l'univers s'est vite dilaté et refroidi et les quarks ont pu s'assembler pour former protons et neutrons.
Pour explorer les origines de l'univers et la formation des particules, les physiciens utilisent des accélérateurs de particules, capables de générer les plus fortes concentrations d'énergie sur Terre. En ce sens, la physique des hautes énergies constitue un prolongement expérimental de la cosmologie du Big Bang.

Le Modèle Standard et ses limites

Le cadre théorique de référence pour décrire ces phénomènes est le Modèle Standard de la physique des particules. Élaboré progressivement dans la seconde moitié du XX^e siècle, il repose sur une structure de jauge remarquablement cohérente, qui distingue les fermions, constituants de la matière, et les bosons de jauge, médiateurs des interactions fondamentales. La validité du Modèle Standard a été confirmée avec une précision exceptionnelle dans de nombreux domaines expérimentaux. La prédiction puis la découverte du quark top, ainsi que l'observation du boson de Higgs en 2012, ont constitué des jalons majeurs de cette théorie, en consolidant son statut de description perturbative la plus aboutie de la matière à l'échelle microscopique.

Cependant, ce succès est incomplet. Le Modèle Standard ne rend pas compte de la gravitation, n'intègre pas de candidat naturel à la matière noire et n'explique pas l'asymétrie matière-antimatière dans l'Univers. De plus, il ne fournit aucun principe dynamique satisfaisant pour justifier la structure en trois générations de fermions ni les hiérarchies de masses qui les distinguent.
Cette dernière difficulté est particulièrement frappante : la masse du quark up est de l'ordre du MeV, tandis que celle du quark top est de l'ordre de 170 GeV, soit un écart de plusieurs ordres de grandeur. Une telle hiérarchie suggère qu'une structure plus profonde, encore inconnue, gouverne l'organisation des fermions.

La physique des collisions de particules

C'est pour explorer ces zones d'ombre que les physiciens exploitent les collisions de particules. Le principe général est simple : plus l'énergie est élevée, pluys la collision peut produire des éléments lourds, rares ou instables. En effet, selon la relation d'Einstein E = mc², l'énergie peut se transformer en matière. Lorsqu'on fait entrer en collision deux particules à très haute énergie, cette énergie cinétique peut donner naissance à de nouvelles particules, parfois instables, qui n'existent pas dans les conditions normales de l'univers actuel.

Dans une collision proton-proton à très haute énergie, l'événement se déroule à l'échelle des quarks et gluons. Le processus observé résulte d'une superposition statistique d'interactions élémentaires, modulée par la structure interne hadronique, les fonctions de distribution partonoique et les effets non perturbatifs associés à la coloration du vide quantique.
Il faut donc distinguer la collision microscopique, décrite par les amplitudes de diffusion, de l'événement expérimental, qui n'en est que la manifestation visible après hadronisation, cascade de désintégrations et propagation dans le détecteur.

Lire un événement

Une collision proton-proton ne produit jamais une particule unique, mais état final complexe composé de nombreuses particules secondaires. Ces dernières apparaissent sous forme de traces chargées, de gerbes hadroniques, de dépôts d'énergie électromagnétiques ou hadroniques, et parfois d'énergie transverse manquante lorsque certaines particules s'échappent sans interaction, comme les neutrinos ou d'éventuelles particules au-delà du Modèle Standard.
Cette représentation n'est donc pas seulement décorative, elle repose sur un ensemble de précédures de calibration, d'algoritmes de clustering, d'identification des particules et de correction des effets instrumentaux. Il s'agit à ce niveau autant d'une science d'inférences statistiques que d'une science d'interactions fondamentales.

Au-delà du Modèle Standard

Parmi les scénarios théoriques explorés au-delà du Modèle Standard, certains envisagent l'existence de dimensions spatiales supplémentaires ou d'une échelle effective de gravité abissée vers le domaine du TeV. Dans ce type de cadre, une collision suffisamment énergétique pourrait produire un objet gravitationnel transitoire, tel qu'un micro-trou noir semi-classique ou un état apparenté à une boule de cordes.
Dans une description semi-classique, un micro-trou noir formé dans une collision se dégraderait ensuite par évaporation de Hawking, selon une cascade de particules gouvernée par sa température effective, sa masse initiale et la gémoétrie de l'espace-temps extra-dimensionnel. Toutefois, cette image doit être maniée avec prudence,car la transition vers le régime quantique de la gravité demeure largement inconnue.

• Chardybdis : ce générateur simule production et la désintégration de trous noirs mliniatures lors de collisions hadroniques. Il implémente les effets "gris-corps" extra-dimensionnels et les changements de température du trou noir durant sa désintégration.


• BlackMax : un autre simulateur Monte Carlo pour les effets de gravité à l'échelle du TeV, incluant des modèles pour la production de micro-trous noirs semi-classique et de "boules de cordes". Il offre diverses options comme la définiton de la masse de Planck, le modèle de fermions divisés, le nombre et la taille des dimensions supplémentaires, et la tension de brane.

Les données collectées par ATLAS (notamment 20,3 fb^-1 de collisions proton-proton à √s = 8 TeV en 2012) ont été analysées pour rechercher des signatures de trous noirs microscopiques. Aucun excès d'événements par rapport aux prédictions du Modèle Standard n'a été observé à ce jour.
Ces résultats ont permis d'établir des limites sur :

• Les seuils de masse pour la prodution de trous noirs (4,9-6,2 TeV exclus à 95% de niveau de confiance pour six dimensions supplémentaires)


• Les sections efficaces visible spour la produciton de ces états finaux


• Différents modèles de production et de désintégration de trous noirs et de boules de cordes