Depuis les années 1970, les physiciens des particules décrivent la structure fondamentale de la matière à l’aide d’une série d’équations complexes, constituant le Modèle standard. Ce modèle décrit le comportement des particules fondamentales - les constituants de base dont est fait toute chose visible dans l’Univers – ainsi que les quatre forces qui s’exercent entre elles. Les physiciens utilisent les accélérateurs et détecteurs de particules pour mettre à l’épreuve les prédictions du Modèle standard. Avec le temps, ce modèle, qui a permis d’expliquer de nombreux résultats expérimentaux et a prédit avec précision toute une série de phénomènes, s’est imposé comme une théorie reposant sur de solides fondements expérimentaux.

Toutefois, le Modèle standard ne décrit que 4 % de l'Univers connu, et plusieurs questions restent sans réponse. Observerons-nous une unification des forces de la nature ? Pourquoi la gravité est-elle si faible ? Pourquoi y a-t-il davantage de matière que d’antimatière dans l’Univers ? Doit-on s’attendre à découvrir une physique plus exotique à des énergies plus élevées ? Découvrirons-nous des éléments qui nous permettront de confirmer la théorie de la supersymétrie ? Ou de comprendre le boson de Higgs, qui confère la masse aux particules ?

Particules et forces

La matière que nous connaissons est formée de molécules, elles-mêmes constituées d'atomes. Les atomes sont constitués d’un noyau autour duquel gravitent des électrons. Le noyau est un amas de protons et de neutrons, eux même formés de quarks. Les quarks et les électrons semblent indivisibles (sans sous-structure connue). Les quarks et les électrons font partie des particules élémentaires étudiées.

Mais en menant des expériences, les physiciens ont trouvé d’autres particules élémentaires, si nombreuses qu’ils ont dû les organiser, tout comme Mendeleev avait organisé les éléments dans le tableau périodique qui porte son nom. Ils ont ainsi développé un modèle théorique concis, appelé Modèle Standard, qui permet de classer ce zoo de nouvelles particules. Aujourd'hui, nous comprenons mieux l’existence de ces particules et comment elles interagissent.

Les fondements et limites du Modèle Standard

Le Modèle Standard de la physique des particules constitue l'un des triomphes les plus impressionnants de la physique théorie. Développé au cours de la seocnde moitié du XXe sicèle, ce cadre théorique repose sur une architecture élégante dstinguant les fermions (quarks et leptons) qui constituent la matière, et les bosons qui véhiculent les forces fondamentales.

Les prédictions du Modèle Standard ont été confirmées avec une précision remarquable. Par exemple, la masse du qark top avait été estimée à 177 ± 10 GeV en 1994 avant sa découverte expérimentale, et la valeur mesurée s'avère être de 170,9 ± 1,8 GeV. La découverte du boson de Higgs en 2012 a constitué l'ultime validation expérimentale de cette théorie.

Malgré ses succès indéniables, le Modèle Standard ne décrit que 3% de l'Univers observable et laisse plusieurs questions fondamentales sans réponse. la théorie n'inclut pas la gravitation et ne prédit aucune particule candidate pour composer la matière noire. Elle ne peut epxliquer non-plus l'asymétrie matière-antimatière.
L'une des limitations le splus profondes concerne l'absence d'explication pour l'existence de trois générations de fermions aux masses si différentes. La masse du quark up est de l'ordre du MeV tandis que celle du quark top atteint 170 GeV, soit un facteur de 105 entre les particules de première et troisième génération.

Le problème de la hiérarchie

L'un des mystères les plus profonds de la physique moderne réside dans l'extrême faiblesse de la force gravitationnelle comparée aux autres interactions fondamentales. Cette disparité, connue sous le nom de problème de la hiéraarchie, interroge les physiciens sur les mécanismes fondamenteaux qui régissent notre Univers.
Le problème se manifest eparticulièrement dans la masse du boson de Higgs. Selon la théorie quantique des champs, les corrections quantiques devraient conduire à une masse bien plus élevées, de l'ordre de l'énergie de Planck (environ 1019 GeV), alros que la masse observée n'est que d'environ 125 GeV.

Les physiciens explorent plusieurs pistes pour résoudre ces énigmes. les théories de grande unification tent d'expliquer pourquoi les trois forces du modèle Standard émergent comme des apsects différents d'une force plus fondamentale.

Le modèle Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali

Une solution élégante au problème de la hiérarchie a été proposée en 1998 par Nima Arkani-Hamed, Savas Dimopoulos et Gia Dvali. Leur modèle, ADD, suggère que notre univers quadridimensionnel existe sur une "brane" dans un espace de dimension supérieure. Les forces électromagnétique, faible et forte opèrent uniquement dans notr ebrane, tandis que la gravité peut se propager dans les dimensions supplémentaires.
Cette géométrie particulère explique naturellement la faiblesse apparente de la gravité : l'intensité gravitationnelle se dilue dans les dimensions supplémentaires, créant l'illusion d'une force intrinsèquement faible dans notre espace tridimensionnel. La conséquence révolutionnaire de ce modèle est que l'échelle fondamentale de Planck pourrait être réduite de 1019 GeV à l'échelle du TeV.

Dans l'espace quadridimensionnel standard, l'énergie minimale requise pour créer un trou noir est de l'ordre de 1016 TeV, nécessitant un accélérateur circulaire de 1000 années-lumière de diamètre. Cependant, avec des dimensions supplémentaires de taille appropriée, cette énergie seul peut être drastiquement réduite.
L'analyse dimensionnelle révèle que dans un espace à (4=N) dimensions, l'énergie de Planck effective suit la relation :

où R représente la taille des dimensions supplémentaires. Pour n=2 dimensions supplémentaires de rayon 10 microns, l'énergie de Planck descend à 3 TeV, tandis que pour n=6 dimensions de rayon 0,01 picomètre, elle atteint environ 1,5 TeV.

Vers la détection expérimentales des trous noirs microscopiques

Si les modèles à dimensions supplémentaires sont corrects, le Large Hadron Collider (LHC) pourrait produire des micro-trous noirs lors de collisions proton-proton à haute énergie. ces objets quantiques, d'une taille de l'ordre de 10-4 femtomètres, s'évaporeraient quasi-instantanément par rayonnement de Hawking en émettant une cascade de particules.
Les simulations théoriques prédisent des signatures expérimentales caractéristiques : une grande multiplicité de particules à haute énergie transverse, une émission "démocratique" de tous les types de particules du Modèle Standard, et des événements présentant une somme scalaire élevée de l'énergie transverse. Ces signatures distinctives permettraient de différencier la production de trous noirs microscopiques des processus standard.

Cette image représente une simulation informatique d'une collision au sein du détecteur ATLAS où un toru noir microscopique serait créé lors d'une collision proton-proton.
On y voit une explosion de particules émergeant d'un point central, avec des traces colorées représentant différents types de particules. Les traces rouges, jaunes et vertes symbolisent les différentes particules produites lors de la désintégration immédiate du trou noir créé.
Cette représentation n'est donc pas seulement décorative, mais basée sur le modèle AVD mentionné plus tôt.

Simulation et modélisation des trous noirs microscopiques

Pour simuler la produciton et la désintégration de trous noirs microscopiques, les physciens utilisent des générateurs d'événement spécialisés. Deux programmes principaux ont été développés à cette fin :

• 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