Si les tachyons sont des particules physiques capables d'interagir avec la matiere standard, leur nature supraluminique (v > c) laisserait des signatures distinctes et non ambigues dans les detecteurs de particules. Au cours des six dernieres decennies, les physiciens experimentaux ont utilise des dispositifs de temps de vol, des chambres a bulles et de vastes observatoires souterrains de neutrinos pour traquer ces entites insaisissables.
1. Rayonnement Tcherenkov dans le vide
La contrainte la plus rigoureuse sur l'existence de tachyons electriquement charges provient du phenomene de rayonnement Tcherenkov. Dans un milieu dielectrique (comme l'eau ou le verre), la lumiere se deplace plus lentement que c. Quand une particule chargee standard traverse ce milieu plus vite que la vitesse de phase locale de la lumiere, elle emet un cone directionnel de rayonnement electromagnetique -- l'equivalent optique d'un bang supersonique.
Parce qu'un tachyon se deplace toujours plus vite que c, un tachyon charge emettrait un rayonnement Tcherenkov meme dans le vide parfait.
Cette emission spontanee ferait perdre continuellement de l'energie au tachyon. En raison de la relation inversee energie-vitesse des tachyons (E tend vers 0 quand v tend vers l'infini), la perte d'energie provoquerait une acceleration violente du tachyon vers une vitesse infinie, rayonnant son energie restante presque instantanement. Les observations astrophysiques du vide spatial ne montrent aucune de ces bouffees spontanees et continues de rayonnement Tcherenkov dans le vide, imposant des limites inferieures extremement strictes sur la section efficace d'interaction entre les tachyons hypothetiques et le champ electromagnetique.
2. Mesures de temps de vol (TOF)
La methode la plus directe pour detecter un tachyon consiste a mesurer sa vitesse sur une distance connue. Les experiences de temps de vol (TOF) utilisent des scintillateurs ou des detecteurs de suivi au silicium hautement synchronises, espaces de quelques metres a plusieurs kilometres.
Si une particule est generee au detecteur A a l'instant t_1 et arrive au detecteur B a l'instant t_2, la vitesse est simplement delta x / delta t. Si cette valeur depasse c apres prise en compte des erreurs systematiques et de la latence des cables de signal, il s'agirait d'un evenement candidat tachyonique.
L'anomalie OPERA de 2011
L'experience OPERA au laboratoire du Gran Sasso a represente la plus celebre anomalie de temps de vol de l'histoire. Des neutrinos muoniques ont parcouru 730 kilometres du CERN au Gran Sasso. Les calculs initiaux indiquaient qu'ils etaient arrives 60 nanosecondes avant qu'un photon ne l'aurait fait dans le vide (v environ c + 2,5 × 10 puissance -5 c). Cela a provoque une crise paradigmatique massive jusqu'a ce que l'anomalie soit retracee a un cable de fibre optique desserre dans le systeme de synchronisation temporelle GPS. Une fois repare, les neutrinos etaient parfaitement compatibles avec v inferieur ou egal a c.
3. Masse manquante et signatures de masse au carre negative
Dans les collisionneurs de particules comme le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC), les tachyons pourraient theoriquement etre produits lors de collisions a haute energie. Parce que les tachyons ont une masse au repos imaginaire (m₀ = iμ), leur masse au carre est negative (m₀² = -μ²).
Les physiciens recherchent ces signatures en utilisant la cinematique de la masse invariante des produits de desintegration. En mesurant meticulement l'energie et l'impulsion de toutes les particules entrant et sortant d'une collision, ils peuvent calculer la "masse manquante".
Si le carre de la masse manquante calculee est systematiquement et significativement inferieur a zero (au-dela du seuil des erreurs de resolution du detecteur), cela indiquerait l'emission d'une particule tachyonique invisible emportant une quadri-impulsion de type espace. Des analyses approfondies des donnees de chambres a bulles et de la cinematique des collisionneurs modernes n'ont pas encore produit de pic statistiquement significatif de masse au carre negative.
4. Gerbes atmospheriques de rayons cosmiques
Les rayons cosmiques de tres haute energie bombardent la haute atmosphere terrestre, declenchant des cascades massives de particules secondaires connues sous le nom de gerbes atmospheriques etendues (EAS). Si les tachyons existent, ils pourraient etre produits lors de la collision primaire initiale en haute stratosphere.
Parce que les tachyons se deplacent plus vite que la lumiere, ils atteindraient les detecteurs au sol avant le front de gerbe principal (constitue de photons, d'electrons et de muons se deplacant a c ou juste en dessous). Dans les annees 1970 et 1980, plusieurs groupes experimentaux ont installe des detecteurs de coincidence pour rechercher ces signaux "precurseurs" arrivant des microsecondes avant la gerbe de rayons cosmiques principale. Bien que quelques impacts precurseurs anormaux aient ete enregistres, aucun n'etait statistiquement reproductible, et ils ont finalement ete attribues au bruit aleatoire des detecteurs ou a des rayons cosmiques de fond independants.
Conclusion : le resultat nul
Des decennies de recherches empiriques rigoureuses a travers de vastes echelles d'energie ont produit un resultat nul profond. L'absence de rayonnement Tcherenkov dans le vide, la resolution de l'anomalie OPERA et l'absence de cinematique de masse au carre negative suggerent fortement que les tachyons physiques ponctuels interagissant avec la matiere n'existent pas. Cependant, ce sont precisement ces resultats experimentaux negatifs qui ont conduit la physique moderne a reinterpreter les tachyons non pas comme des particules en mouvement, mais comme des champs quantiques instables.