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Nouvelles scientifiques

 

Paris, le 7 septembre 2011

 

Conférences d’été en physique des hautes énergies : moisson de résultats pour le LHC

 

Après plus d'un an de fonctionnement, c'est l'heure du premier bilan pour le Grand Collisionneur de hadrons (LHC) au Cern à Genève. Cet été a été marqué par deux temps forts au cours desquels les tout derniers résultats du LHC ont notamment été révélés. À Grenoble tout d’abord, lors de la conférence "Europhysics Conference on High Energy Physics" - HEP2011, organisée cette année par la Société européenne de physique, avec le soutien de la communauté scientifique française (CNRS/IN2P3, CEA et universités), puis un mois plus tard à Bombay en Inde lors de la conférence Lepton-Photon qui vient de s’achever. Les résultats montrent que le boson de Higgs, s’il existe, a de moins en moins d’endroits où se cacher : les expériences Atlas et CMS ont exclu la possibilité de son existence sur la majeure partie de la gamme de masses comprises entre 145 et 466 GeV. Quant à LHCb, cette expérience a obtenu les mesures les plus précises réalisées jusqu’à ce jour sur les particules de beauté (ou mésons B) qui permettent d’étudier l’asymétrie entre matière et antimatière. Les équipes du CNRS/IN2P3 ont joué un rôle de premier plan dans ces analyses.

 

Grâce au très bon fonctionnement de son accélérateur, les expériences Atlas et CMS du LHC ont pu observer plus de 70 millions de millions de collisions en 3 mois, soit l'objectif fixé par le Cern pour l'ensemble de l'année 2011. Ces excellentes performances ont permis aux expériences de récolter une moisson de résultats présentés cet été lors des conférences internationales.


L’étau se resserre autour du boson de Higgs

Le boson de Higgs est la seule particule du modèle standard qui n'a pas encore été observée ; il a un rôle crucial puisqu'il expliquerait l’origine de la masse des particules : le découvrir ou infirmer son existence fait partie des principaux objectifs du programme scientifique du LHC.
Les analyses combinées des expériences Atlas et CMS ont permis d’exclure avec 95 % de niveau de confiance l’existence du boson de Higgs dans la majeure partie de la gamme des masses comprises entre 145 et 466 GeV (gigaélectronvolts). Au total, pour la conférence de Bombay, chaque expérience a dû analyser environ deux inverse femtobarns de données, c’est-à-dire 140x1012 collisions et ceci dans un temps très court. Ces résultats reviennent à exclure une majeure partie du domaine de masse où le boson de Higgs pourrait exister en théorie mais laisse ouvert, pour les recherches à venir au LHC, le domaine de basse masse – entre 115 GeV, limite donnée par le LEP, et 145 GeV – déjà favorisé par des contraintes expérimentales indirectes.
Lors de la première grande conférence de l’année 2011 sur la physique des particules, HEP2011 à Grenoble en juillet, les expériences Atlas et CMS avaient indépendamment montré des fluctuations du nombre d’événements observés dans certaines régions, ce qui aurait pu être un premier signe du boson de Higgs. Entre les deux conférences, les équipes ont pu analyser le double du nombre de collisions en incluant celles acquises jusqu’en juillet et elles ont montré fin août à Bombay que l’importance de ces fluctuations a légèrement diminué. Ces nouvelles données sont loin donc d'être concluantes, et les scientifiques vont devoir analyser encore beaucoup de données pour comprendre leurs observations. Pour un boson de Higgs léger, s’il existe, de nombreux modèles comme la "supersymétrie" prédisent à l’échelle du teraélectronvolt (TeV) une nouvelle physique (et donc l’apparition de nouvelles particules). Les nombreux résultats présentés à ces conférences et l’absence de nouveaux signaux, contraignent déjà très fortement ces modèles même si l’exploration de la physique à l’échelle du TeV au LHC ne fait que commencer.
Les équipes Atlas et CMS du CNRS/IN2P3, très fortement engagées dans le programme de physique du LHC, se sont pour certaines retrouvées en première ligne dans la recherche du boson Higgs. D’autres analyses, sur des études de précision du Modèle standard ou sur la recherche de nouvelle physique restent aussi des objectifs de premier plan, susceptibles de fournir des résultats très intéressants, au fur et à mesure que le stock d’évènements enregistrés s’accroît (voir encadré pour en savoir plus).

 

Une précision inégalée dans la mesure de l’asymétrie matière-antimatière

À Grenoble puis à Bombay, les nouveaux résultats présentés par l’expérience LHCb ont montré que les désintégrations des particules appelées "mésons beaux (B)" mesurées jusqu’à présent par la collaboration concordent parfaitement avec les prédictions du Modèle standard de la physique des particules et ne confirment pas les déviations observées cette année par les expériences CDF et D0 au Fermilab à Chicago. LHCb étudie de près ces désintégrations afin d’étudier l’asymétrie entre la matière et l’antimatière. Les quarks lourds sont très utiles pour étudier ce phénomène, car leurs modes de désintégration sont nombreux, et toutes ces désintégrations sont décrites par le Modèle standard. L’asymétrie matière-antimatière est prédite par le Modèle standard, mais à un niveau insuffisant pour pouvoir expliquer l’asymétrie observée dans l’Univers. Des écarts par rapport aux prédictions pourraient être le signe d’une nouvelle physique. Seuls des mesures de grande précision et un très grand nombre de données permettront de mesurer ces écarts avec certitude.
Ce niveau de précision inégalée a pu être atteint, grâce à l’excellente performance du collisionneur et la collaboration efficace des scientifiques de LHCb avec les ingénieurs du LHC pour optimiser la quantité et la qualité des données recueillies. Le détecteur LHCb contient des éléments très sensibles situés à proximité du faisceau qui peuvent mesurer le point de collision proton-proton et le point de désintégration des mésons beaux. Concilier la nécessité de protéger ces instruments d’éventuels dommages causés par le faisceau, tout en portant l’intensité du faisceau à son maximum, est le défi que les ingénieurs et les scientifiques ont réussi à relever.
En France, les équipes LHCb des laboratoires du CNRS/IN2P3 s’investissent activement et assument des responsabilités dans l’analyse des données. Elles jouent un rôle de premier plan dans plusieurs domaines prioritaires du programme de physique de LHCb, dont fait partie l’étude des mésons beaux pour expliquer l’asymétrie matière (voir encadré pour en savoir plus).


La Grille de calcul mondiale pour le LHC, qui relie des centres de calcul du monde entier, s’est montrée à la hauteur de la tâche durant cette période intense, en réalisant régulièrement jusqu’à 200 000 opérations d’analyses de physique simultanément. La France y a participé activement avec notamment l'un des plus grands centres de calcul du monde, le CC-IN2P3 du CNRS à Lyon, laboratoire par ailleurs membre de chacune des expériences du LHC, et huit autres sites régionaux.

 

"Il est remarquable qu’autant de résultats aient été présentés cet été malgré la complexité des analyses", a indiqué Laurent Serin, directeur adjoint scientifique de l’IN2P3. "Ceci a été rendu possible par l’efficacité des moyens de calculs, par les performances de l’accélérateur et des détecteurs et par une motivation exemplaire de tous les chercheurs impliqués dans ces projets".

 

La contribution des équipes LHC de l’IN2P3

Atlas : Les équipes des six laboratoires(1) du CNRS/IN2P3 sont impliquées dans l’analyse des canaux les plus sensibles pour trouver le boson de Higgs (dans les canaux de désintégration en deux bosons W, deux photons ou quatre leptons et dans leurs combinaisons). Elles sont également engagées dans d’autres domaines prioritaires du programme de physique d’Atlas comme les études de précision du Modèle Standard (production des bosons W et Z, production de paires top-antitop), la recherche de nouvelles particules supersymétriques et celle de nouveaux bosons de jauge,

CMS : Les équipes des trois laboratoires(2) du CNRS/IN2P3 ont joué un rôle de tout premier plan pour la recherche du boson de Higgs, les premières recherches de résonances au TeV et les mesures de précision dans le secteur de l’interaction électrofaible et du quark top. Les équipes françaises ont notamment été parmi les principaux auteurs ou contributeurs aux analyses de CMS pour la recherche du boson de Higgs dans des canaux de désintégration majeurs de découverte (en deux photons, quatre leptons ou deux taus), dans la production de di-bosons, ou dans la recherche de résonances au TeV dans les voies di-leptons ou di-top.

LHCb : Les scientifiques des cinq laboratoires(3) du CNRS/IN2P3 jouent un rôle de premier plan et représentent une composante importante de la collaboration LHCb. Outre leur active participation à l’exploitation du détecteur, leurs analyses comprennent : l’étude des méson beaux pour expliquer l’asymétrie matière-antimatière dans le Modèle standard et la recherche des désintégrations très rares, voire interdites dans le cadre du Modèle standard, des particules belles. Les équipes françaises ont ainsi largement contribué aux avancées accomplies dans la connaissance des paramètres de la violation de charge parité (CP) et des désintégrations très rares des mésons beaux en deux muons.


(1) Centre de physique des particules de Marseille (CPPM, CNRS/IN2P3/Université de la Méditerranée), Laboratoire de l’accélérateur linéaire (LAL, CNRS/IN2P3/Université Paris-Sud), Laboratoire d’Annecy-le Vieux de physique des particules (LAPP, CNRS/IN2P3/Université de Savoie), Laboratoire de physique corpusculaire de Clermont-Ferrand (LPC, CNRS/IN2P3, Université Blaise Pascal), Laboratoire de physique nucléaire et de hautes énergies (LPNHE, CNRS/IN2P3/Université Pierre et Marie Curie/ Université Paris Diderot), Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie de Grenoble (LPSC, l’Université Joseph Fourier/Institut national polytechnique de Grenoble).
(2) Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (IPHC, CNRS/Université de Strasbourg), Institut de physique nucléaire de Lyon (IPNL, CNRS/Université Claude Bernard-Lyon 1), Laboratoire Leprince-Ringuet (LLR, CNRS/École polytechnique).
(3) Centre de physique des particules de Marseille (CPPM, CNRS/IN2P3/Université de la Méditerranée), Laboratoire de l’accélérateur linéaire (LAL, CNRS/IN2P3/Université Paris-Sud), Laboratoire d’Annecy-le Vieux de physique des particules (LAPP, CNRS/IN2P3/Université de Savoie), Laboratoire de physique corpusculaire de Clermont-Ferrand (LPC, CNRS/IN2P3, Université Blaise Pascal), Laboratoire de physique nucléaire et de hautes énergies (LPNHE, CNRS/IN2P3/Université Pierre et Marie Curie/ Université Paris Diderot).

 

Pour en savoir plus

Contact chercheur

  • Atlas : Daniel Fournier, Tél : 01 64 46 83 93
  • CMS : Yves Sirois, Tél : 01 69 33 55 66
  • LHCb : Elie Aslanides, Tél : 04 91 82 76 02
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