la physique des particules au large hadron collider (cern) · 2007. 1. 25. · • particule...
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La physique des particulesLa physique des particules
au Large Hadron Collider (CERN)
Irena Nikolic, LPNHE 23 janvier 2007, FRIF
Plan• Qu’est c’est le LHC et pourquoi le LHC ?• Rappel historique expérimental des
dernières découvertes en physique des particules
• Un des outils pour traquer des nouvelles particules: le détecteur ATLAS
• Exemples de physique étudiés au LHC
Le Modèle Standard de la physique des particules• Décrire la matière par le nombre minimal de constituants élémentaires
• Quelles sont les interactions fondamentales entre ces constituants?
3 familles de
particules
4 interactionsBosons W+/-, Z0
massifs ~ 100 GeV
Mécanisme de
Higgs
Découvertes des particules élémentaires
Nom
bre
de p
hysicien
s
Année de découverte
p
Caractéristiques de la particule de Higgs
M. Higgs
• Particule indispensable dans le MS pour « donner une masse » aux particules
• La masse du Higgs n’est pas prédite, mais limitée à ~ 1 TeV par des argumentsthéoriques (sa largeur devient comparableà sa masse)
• Le couplage du Higgs aux autres particules est proportionnel à leur masseau carré (et la masse du Higgs) donc couplage majoritaire aux particuleslourdes
Questions ouvertes/imperfections duModèle Standard
• Où est le boson de Higgs? Recherché depuis plus de 30 ans…• Pourquoi trois familles? Pourquoi une telle hiérarchie de masse?• Pourquoi plus de matière que d’anti-matière dans l’univers?• Y-a-t’il quelque chose au-delà du Modèle Standard?• Pourquoi le Modèle Standard a-t-il beaucoup de paramètres
(18)?• Quid de la gravitation ?
Pour répondre expérimentalement, monter en énergie !
D’autres théories plus vastes : supersymétrie, supergravité, cordes, extra-dimensions ….
Modèle Standard toujours valide aujourd’hui après les nombreuses mesures de précision faites pour le mettre en défaut et découvrir une nouvelle physique
Que doit faire le LHC ?
• Comprendre l’origine de la masse des particules et le mécanisme de brisure de symétrie électrofaible associé : recherche du boson de Higgs et étude de ses propriétés
• Recherche de physique au-delà du Modèle Standard : Supersymétrie, d’ autres scénarios plus exotiques
• Mesures de précision, tests du Modèle Standard : masse du quark top et du boson W, QCD, violation de la symétrie CP…
• Etude détaillée de l’interaction forte
Le choix du Large Hadron Collider?• Motivation physique: produire le Higgs directement quelque soit sa masse jusqu’à 1 TeV. Nouvelle physique doit apparaître à cette échelle d’énergie
• Historiquement, les découvertes se sont faites en montant en énergie
• Si machine est circulaire, elle doit être proton-proton car pertes par rayonnement synchrotron sont en 1/m4:
impossible d’accélérer des électrons (élémentaires) au énergies du TeV! 1TeV = 1012 eV
• Utiliser le tunnel existant du LEP (27 km) au CERN(collisionneur e-/e+ utilisé de 1989 à 2001): pas de génie civil
7 TeV 7 TeVp p p=quarks uud=hadron
Collisions p-p vs e+e-• Les électrons sont des particules élémentaires
- calculs théoriques (relativement) simples et précis– Etat initial parfaitement connu– Interactions relativement simples à comprendre
ex: LEP e+e- à 90 puis 200 GeV
• Les protons ont une structure interne encore imparfaitement comprise
– Calculs théoriques délicats– Etat initial inconnu (qq,qg,gg) ? ex: LHC, Tevatron– Mesures dans le plan transverse
Évolution des collisionneursen 50 ans
10 GeV
1 TeV
1 GeV
14 TeV LHC
LEP
Energie
Tevatron
1967: Unification Électrofaible W,Z (Glashow, Weinberg, Salam)
1973: Découverte des courants neutresdans diffusion νμe(Gargamelle, CERN)
1974: Formulation complète du modèle standard SU(2)W×U(1)Y
1983: LEP la construction démarredécouverte W et Z (UA1, UA2)prix Nobel Rubbia/Van der Meer
UA2qq → Z → e+ e- γ
-
Introduction historique I1981: Le SpS au CERN devient un
collisionneur proton-antiproton
LEP approuvé avant la découverte des bosons W/Z
1964: Première formulation dumécanisme de Higgs(P.W.Higgs)
1984: Discussions sur le LHC démarrent
1989: Début de prise de données auLEP 1Test de précision du MS et la recherche du boson de HiggsEtudes R&D pour les détecteurs du LHC débutent
1994: Collisionneur LHC approuvé(pour démarrer en 2005)
1995: Découverte du quark top au Fermilab (Chicago) par CDF (et D0)
Mesures de précision et recherche du Higgs continuent à LEP 2
Expériences ATLAS et CMSapprouves
Introduction historique II
2000: Fin de la prise de données auLEP
Depuis plus de 20 ans au CERN
• physique du LEP: mesures de précision inespérées
• préparation, construction du LHC et des détecteursavec beaucoup de R&D
août 2007: fermeture du tunnelet des détecteurs
Nov 2007: démarrage du LHC
Mont Blanc
CERN
ATLAS
GenèveCirconférence27 km
Profondeur50 à 175mCMS
Le LHC vu du ciel ..
Température~2K
12 Millions litres d’Azote liquide
700 000 litres Hélium liquide
1232 Dipôles (~14m)
8.4 T pour courber les
protons
.. et sous terre !
Définition de la luminosité
section efficace du processus: contient la physique
la « probabilité » pour que l’interaction ait lieu,s’exprime en unité de surface (barn=10-28 m2).
Recherche de processus rares: σ petit, il faut L grand
Taux d’événements produits dans un collisionneur donné par:
N = L σ
Luminosité:Param. de la Machine
s’exprime commel’inverse de(surface*temps)
LHC: L = 1034 cm–2s–1 après 2009, 100 fb-1 lum. intégrée pour 1 an
L = 1032cm–2s–1 à 1033 cm–2s–1 2007-2008 (100 pb-1: qques jours)
• pour ne pas les rater les processus rares, on doit maximiser :
-le nombre de particules par faisceau (N1, N2) : 1011 au LHC-le nombre de paquets (nb) et fréquence des croisements f
2835 40 MHz
• Minimiser la taille A du faisceau au point de collision
exemple: production Higgs 10–2 à 10-5 Higgs /sec (suivant sa masse)
5 106 paires de quarks b /sec
Luminosité (suite)
Collisions au LHC: résumé
Particles
Proton - Proton 2835 paquetsProtons/paquets 1011
Luminosité 1034 cm-2s-1
Croisements de faisceaux 40 MHz, 25 ns
Collisions de protons ≈ 107-109 Hz
Parton(quark, gluon)
Proton
Selection d’évenements:1 / 10,000,000,000,000Selection d’évenements:1 / 10,000,000,000,000
ll
jetjet
Paquet
SUSY.....
Higgs
Zo
Zo
e+
e+
e-
e-
Nouvelle Physique ≈ 10 -5 Hz(électrofaible, haute Masse)
Événement H -> Z0 Z0 , Z0-> μ+μ−
1600 particules chargés par événement !
Avant la coupure
sur pt
Après la coupure
Traces avec pt > 25 GeV
Quatre expériences:•ATLAS, CMS généralistes•ALICE ions lourds 208Pb, étude du plasma quarks-gluons•LHC B violation de CP avec quarks b
Combien ça coûte ?
• LHC : 2 G euros• Porte-avions Charles de Gaulle : 3 G euros• Campus universitaire neuf : 200 M euros• Expériences : 310 M euros chacune (ATLAS/CMS)• Coût d’une expérience par chercheur : 100 k euros
(1000 publications attendues sur 10 ans)
Détecteurs
au LHC
LHCB
Compact Muon SpectrometerCMS
e-
μ
jetν
énergie
manquante
γ
IDET ECAL HCAL MuDET
Que veut on mesurer dans l’état final d’une collision ?
Tout : E, p, r, t de toutes les particules produites
Concept général d’un détecteur
calorimètres
Traces chargées
muons
Contraintes sur les détecteurs au LHC
survire à plus de 10 ans de fonctionnement
Détecteurs rapides (~20-50ns) : ne pas sommer des réponses de plusieurs croisements de faisceaux (25ns) : contraintes sur électronique!
Très granulaires: minimiser la probabilité que les particules issues d’événements intéressants (Higgs..) soient dans le même endroit que les événements de “bruit”: nombreuses voies d’électronique
Détecteurs résistants au rayonnements jusqu’ à 1016 neutrons/cm2/an!
Quantité de données: ~109 événements (1 Mbyte) / an
1CD toutes les 2 secondes
34 pays
151 laboratoires
1770 auteurs
Collaboration ATLAS
Toroïdesupraconducteur
Calorimètreélectromagnétique
Calorimètrehadronique
Chambresà muons
Détecteurinterne de traces
Longueur : ~ 46 m
Diamètre : ~ 25 m
Poids : ~ 7000 tonnes
Cout : ~ 310 MEuros
ATLAS
Câbles: : 3000 km
Voies électronique : 108
2002 2004
2005 2006
La caverne d’ATLAS (90 m de profondeur)
Oct. 2005
Détecteur Interne3 Sous-détecteurs de traces chargés dans un champ de 2 T
Rayonement de transition
Strips Silicium
Détecteur de Pixel
140 millions de cellules sensibles,résolution sur la position ~ 15 μm !
3 couches de siliciumà r =4.7, 10.6 et 13.7 cm
Mesure d’énergie
E
• milieu dense (Pb)pour le développement de la gerbe
Exemple: calorimètre EM à échantillonnagedans ATLAS:
succession de milieu dense
de milieu actif
• milieu actif pour mesurer le dépôt d'énergie à partir du courant I détecté: Argon liquide + électrodes.
L’amplitude du signal proportionnelle àl’énergie déposée.
Principe: on veut arrêter la particule pour mesurer toute son énergie
Calorimétrie d’ATLAS
Calo. EM: 170 tonnes
Installation des calorimètres
Champ Torroidal pour courber les muons
Détection des muons
Torroide descendant dans la caverne
Physique au LHC
Mesure très précise/
calcul de plusieurs
“observables”
Chacune est légèrement
sensible à la valeur de la
masse du Higgs
prédiction de la masse du
Higgs possible
Grand apport du LEP par les tests de précision du MS
Ce que nous a appris le ModCe que nous a appris le Modèèle Standardle Standard
mH = 85+39-28 GeV/c2
mH < 166 GeV/c2 @ 95%
mH ≥ 114.4 GeV/c2 @ 95% CL
Recherche Directe au LEP (jusqu’en 2001)
Contrainte théorique:
mH < ~1000 GeV/c2
Contraintes sur la masse du Contraintes sur la masse du HiggsHiggsAjustement des 17 observables
Valeur la plus probable de mH (libre)
Évpr
oduits
en
1 an
àha
ute
lumi
Production du Higgs au LHC(i) Fusion de gluons (ii) Vector boson fusion
σ Tot inel = 70 10 -3 barn
109 ordres de grandeur!
σen
10
-12ba
rnProduction associée (W/Z, tt)
Masse H (Gev)
Très faible probabilité des processus intéressants
Désintégration du Higgs
Privilégier des canaux avec un état final simple même si plus rare, et optimiser les performances du détecteur
H f
~ mf
f
1%
Prob
ade
dés
inté
grat
ion
Z Z
γγ
Pour un Higgs légerHW*
W*
W* γ
γ σ × BR ≈ 50 fb pour mH ≈ 100 GeV
• Sélectionner deux photons dans le détecteur avec pT ~ 50 GeV
• Mesurer l’énergie et la direction des photons• Mesurer la masse invariante de la paire de photons
221
221 )pp()E(E m
rr+−+=γγ
• Tracer mγγ et chercher un pic: mH
Exemple du Higgs en deux photons
Découverte ou pas?
/S BS N N=
NS : Nombre d ’évènements de signal estimé dans la région du pic
NB : Nombre d’évènements de bruitestimé dans la région du pic.
Signification statistique :
si S > 5 : le signal plus grand que 5 fois l’erreur sur le bruit de fond
La probabilité que le fond fluctue par plus que 5 * l’erreur: 10-7
Découverte !
Supposons la production de particule nouvelle X-> γ γ
Nb
d’ev
enem
ents
mγγ
H → γγ mauvaise resolutionH → γγ bonne resolution
Bruit de fondpp → γ γ
Higgs ou bruit de fond ?
A quoi ressemble une interaction ?
Volume de données gigantesque : 3 Gb/s (1015 b/an)Développement de grilles de calcul
Importance des calorimètres au LHC !!
H en 4 e- H en 2 photons
Higgs avec ATLAS et CMS
LEP2 limite directe
5σ
Découverte en unan à basse luminosité :
- Si performances optimales des détecteurs
- et s’il existe vraiment!.
1 an haute lumi
1 an basse lumi
Tout le Higgs dans ATLAS
Identification deτ
Identification dequarks b
ElectronPhoton
Jets
Energie manquante
Muon
D’autres canaux plus compliqués aussi recherchés : tous les détecteurs sont sollicités
3 ans basse lumi: tout le domaine de masse est couvert, plusieurs canaux possibles (redondance) mais performances des détecteur cruciales !
Physique dans ATLAS en 2008
Processus Events /an Stat totale collectée en 2008
W→ eν 108 104 LEP 107 TevatronZ→ ee 107 106 LEP
107 104 Tevatron1011 – 1012 109 Belle/BaBar ?
gg ~~
ttbb
H (m=130 GeV) 105 ? m= 1 TeV 104 ---
•Très grande statistique pour les processus du Modèle Standard connus :• Utilisation pour calibration, alignement des détecteurs• Mesure de bruits de fonds standards• Mise en place des différents niveaux de déclenchement• Préparation des tests du Modèle Standard• Test rapide de certains nouveaux scénarios (SUSY)
avec L = 1033 cm–2s–1
LHC : usine à W, Z0, top, quark b…
Physique du top:contrainte sur mH
Aujourd’hui
Mtop =171.4 ± 2.1 GeV
MW = 80.392 ± 0.029 GeV
Au LHC
δ Mtop < 1 GeV
δ MW = 9 MeV
Importance des mesures de précision !
ΔmH/mH = 25 %
100
MeV
Physique du top
Cote Lepton
Cote Hadron
Le quark top se désintègre en boson W + un quark b
Boson W lepton + ν ~11 % des cas par famille de leptons2 jets dans ~2/3 des cas
Physique du top: au démarrage
.. et plus tard
50 pb-1
ATLAS prelim
1.3 fb-1
En quelques jours en 2008
avec L = 1032 cm–2s–1
2 Higgs au minimumpeuvent être observés dans la plus grande partie du plan
→ Discriminer entre MS et MSSM
mSUSY = 1 TeV, mtop = 175 GeV/c2
Découverte à 5 σ dans plan mA – tan β
Potentiel de découverte du LHC pour des bosons de Higgs du MSSM (SUSY)
• Tout le plan est couvert à basse luminosité (30 fb-1)• Voies principales: h → γγ , tth h → bb, A/H → μμ, ττ , H± → τ ν
supersymétrie
énergieénergie
énergieénergie
énergiem
anquante
sddsZs
uuR
+++→++→
+→0
10
1
01
~~~
~~
χχ
χ
Gluinos/squarks : m=1 TeV, 10 evt/jour à 1032 cm–2s–1
→1.5 TeV
→2 TeV
→2.3 TeV• Signatures spectaculaires et claires (énergie manquante,multi-leptons…)
• Découvertes(ou non-découvertes…)rapides, si le détecteur estbien maîtrisé dès ledépart !
• Maîtrise des bruitsde fond cruciale
simulation des fonds QCD
Découverte de SUSY
2005 2006 2007 2008
1: Nombreux faisceaux Tests
2: installation des sous détecteurs, événements cosmiques
3: 1 seul faisceau
4:Premières collisions!
5: Physique
La route vers la physique
Rendez vous en 2008 !!
Comprendre les performances des détecteurs in situ au LHC, et faire les premières mesures de physique:
• Mesurer les sections efficaces des jets QCD • Mesurer les sections efficaces des W, Z• Observer le quark top• Mesurer la section efficace et la masse du top• Ajuster les Monte Carlo à la vue des données
Avec les premières collisions à14TeV
Et aussi,
• découverte de SUSY si masses gluinos <1.3 TeV?
• Autre chose?
• Potentiel de découverte du LHC jusqu’aux masses de 5-6 TeV
• S’ il y a de la nouvelle physique, elle sera vue au LHC
• Dernier mot sur le mécanisme de brisure de symétrie EW dans Modèle Standard
Le plus important, le LHC nous dira quelles sont les questions à poser et comment continuer pour yrépondre
et plus tard au LHC