1 La physique des particules au démarrage du LHC Environnement Particules & Interactions, Univers...

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La physique des particules

au démarrage du LHC

EnvironnementParticules & Interactions, Univers

Cadre Description des 4 interactions, Modèle Standard

Apport du LHCHiggs, Matière Noire, Gravitation

L. Poggioli, LAL, OrsayConférence CNAM, 28/05/2008

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Environnement•Physique des particules•Particules & interactions•Notre Univers

CNAM-28/05/08 L.Poggioli 3

La recherche fondamentale Les étapes

– Observation– Abstraction– Modélisation– Prédiction

Exemples– La classification périodique des

éléménts– La Gravitation– Mais aussi : La Relativité Générale


La physique des particules But

– Compréhension des forces fondamentales qui régissent l’univers

Moyens– Étude des constituants ultimes de la matière

et de leurs interactions• Éliminer les effets collectifs (atomiques,

nucléaires) et accéder aux forces fondamentales Comment

– Regarder à très petite distance/très haute énergie/très haute température/très tôt dans l’histoire de l’Univers

– Echelles• eV atome MeV noyau GeV proton TeV ??


Les InteractionsGravitation (Newton 1687, Einstein 1915)

– Portée ∞, très faible intensitéElectromagnétique (Maxwell 1860)

– Portée ∞, unification électricité et magnétisme

Faible (Becquerel 1896, Fermi 1933)

– Courte portée, présente à l’échelle du noyau

– Désintégration β, fusion dans les étoilesForte (Rutherford 1911)

– Courte portée, présente à l’échelle du noyau

– Cohésion du noyau (répulsion des protons)


Les particules Leptons : force faible & électromagnétique

– Électron, Muon (Hess 1937), Tau (Perl 1977)

– Neutrinos associés (Pauli 1930, Steinberger 1962)• νe introduit par Pauli pour comprendre la désintegration beta

Hadrons : force forte & électromagnétique– Plusieurs particules (ex. K, ,) -> Modèle des

quarks (Gell-Mann 1964) puis des partons (Feynman 1970)

• 6 quarks fabriquent tous les hadrons• u, d, s , c (Richter Ting 1974), b (Lederman 1976), t (1994)

Vecteurs de force (élect.), W/Z (Faible Rubbia 1983), gluon (forte)– W/Z massifs car force à courte portée


Particules : Résumé

Antimatière– e+ observé dans les rayons cosmiques

(Anderson 1932)– Déficit énorme antimatière (10-10)– Asymétrie existe dans les interactions faibles (K,

B)• Pas suffisante pour expliquer le déficit• D’autres conditions/explications sont investiguées

MatièreFermions(Leptons & Quarks)Spin 1/2

Vecteurs de forceBosonsSpin 0, 1, 2

Spin : degré de liberté interne

3 familles


Notre Univers : le Big-Bang

10-12s / 1000 GeVL’échelle du LHC

10-44s / 1019 GeVSupercordes ?4 interactions unifiées

10-37s / 1015 GeVSoupe de particules éléméntairesInteraction unique forte-faible-EM

300000 ansFormation des atomesL’Univers devient transparentRayonnement fossile (CMB)


Notre Univers (2)Rayonnement fossile (CMB)

– Rayonnement de corps noir à 3K (COBE)-> Expansion de l’Univers

– Anisotropie du rayonnement (WMAP)-> Composition de l’Univers-> Graines pour la formation

des structures

Etude des Galaxies– Pas de dispersion des amas– Vitesse de rotation des galaxies

-> Matière cachée


Notre Univers (3) Etude des SuperNovae

-> Expansion de l’Univers accéléré (SNLS 1999)

Composition de l’Univers– Matière ordinaire 4%– Matière Noire 23%– Energie noire 72%

Non-baryonic DM(23%)

Stars(0.5%)

BaryonicDM

(4%)

Dark Energy(72%)

Apports du LHC– Sur l’Unification des

interactions– Sur la matière noire– Sur l’Energie noire via

la Gravitation ?

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Cadre•Théories de jauge•Le Modèle Standard•Succès & Limites


Les théories de jauge (1) Théorie quantique relativiste

– Allie Mécanique Quantique & Relativité Interaction

– Véhiculée par des champs de jauge (bosons)– Couplant des courants de matière (fermions)

Dynamique– Interaction possède des symétries

• i.e. invariante sous des transformations d’un groupe de jauge

• Ex: Invariance des équations de Maxwell -> Transformation de Lorentz

– Invariance locale crée la dynamique de l’interaction

1er Succès : l’ Electrodynamique Quantique (Tomonaga Schwinger Feynman 1948)


Les théories de jauge (2)Ex : l’Electrodynamique quantique

– Groupe de symétrie U(1) (rotations)– Base : vertex courant/champ

avec force 1/2 (=1/137)Calcul de diffusion e+e-

– Chaque contribution s’ajoute : O(2)+O(3)+… converge

-> La théorie est renormalisable

Diagramme de Feynman


Le Modèle Standard : Histoire Tentative d’unification de l’interaction

faible & électromagnétique– Avec messagers de masse ≠ 0 diverge (Fermi,

portée finie des int. faibles) Succès des théories de jauge (Yang-Mills 1950)

– Mais W,Z et fermions gardent une masse nulle

Le Breakthrough (Weinberg, Glashow, Salam 1967)– Description unifiée (Groupe SU(2)xU(1))– Symétrie brisée à nos énergies m()=0, m(W,Z) ≠

0– La symétrie est spontanément brisée

via le méchanisme de Higgs (Cf. Ferromagnétisme)

• Donne une masse au W, Z, fermions• Prédit l’existence du boson de Higgs


Le mécanisme de Higgs

Champ de Higgs Particule Interaction ParticuleChamp de Higgs -> Masse

Propagation du Champ de Higgs

Le Higgs acquiert une masse

Cf. Phonons en Physique du solide

En 2 mots– Le Higgs remplit le vide et le rend

plus stable– Le couplage du Higgs qux

particules génère leur masse


Le Modèle Standard : Triomphe

Il est renormalisable ‘t Hooft Veltman 1970 Quark charmé nécessaire à la consistance

du MS -> Observé en 1974

Prédictions vérifiées au O(0.1%) au LEP au CERN – « Prédit » la masse du quark top Observé en 1994

– 3 générations de neutrinos Théorie de jauge des intéractions fortes

intégrée dans MS Gross, Politzer,Wilcek 1973

– Symétrie SU(3) non-brisée– Présente la liberté asymptotique (force

augmente avec la distance pour cohésion des nucléons)

• Observée en 1970 (Taylor et al.) -> Modèle des partons


Modèle Standard : Ce qui manque

Trop de paramètres libres (19!)Ne dit rien sur

– La masse du Higgs– La masse des neutrinos– Un candidat possible à

la Matière NoireN’inclut pas la GravitéPas d’unification des 3

interactions de jauge

Mais plus qu’un modèle : une Théorie !!


Le problème de HiérarchieLe problème

– Comment stabiliser le MS du O(TeV) jusqu’à l’échelle de Gravitation,i.e. MPlanck=1019 GeV ?

– Ou Pourquoi une telle différence d ’échelle entre la Gravité & les autres interactions ?

Dans les faits– Les corrections à la masse du Higgs

envoient MH -> ∞ or MH < 1 TeV dans MS


Les alternativesAlt 1: Supersymétrie

– Chaque particule -> partenaire SUSY • Résout le problème de hiérarchie si O(TeV)

Alt 2: Dimensions supplémentaires – Gravité « forte » mais diluée dans des

extra dimensions -> MPlanck effective O(TeV)

Alt 3 Pas de Higgs : Technicouleur– Nouvelle interaction forte O(TeV)

• Plus de scalaire -> plus de problème de hiérarchie

• Brisure de symétrie dynamique• Peu favorisée par mesures à LEP

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Apport du LHC•Higgs•Supersymétrie•Extra Dimensions•Trous Noirs


Higgs : Où le chercher Théorie -> mH < TeV

– Arguments de trivialité & stabilité

– Régularise l’amplitude WLWL->WLWL O(TeV)

Expérimental– mH>114.4 GeV (LEP)

– mH <186 GeV @ 95%CL (EW fit Moriond06)

Λ : Echelle de validité du MS


Le Higgs : Comment le chercherCe qu’on sait

– Modes de production prédits par MS– Modes de désintégration prédits par MS

Stratégie – Combiner différents

états initiaux & finaux– -> Observation

couvrant toute la gamme en masse et redondante


Le Higgs : En ce momentLa concurrence du Tevatron

– Energie ÷ 7 par rapport au LHC– -> Compense en accumulant des

données– Analyses plus complexes qu’au LHC En chiffres

– Exclusion @ 160 GeV à l’été

– Exclusion -> 200 GeV en 2010 ?

– Course avec le LHC


Le Higgs au LHC (1)Très vite

– Exclusion dès 2009 sur toute l’échelle

– Découverte > 140 GeVfin 2009 début 2010

Etudes robustes

Exqq-> qqHH-> τ+τ-


Potentiel de découverte du LHC– Découverte assurée– Production

• gg->H, qqH (VBF),ttH

– Désintégration• bb, WW, γγ, τ+τ-

Aussi– Mesures de précision

•Spin, Parité, rapports d’embranchements

– -> Contraintes sur le Modèle

Le Higgs au LHC (2)

30fb-1

No K-factor


La Supersymétrie (SUSY)Symétrie Bosons <-> FermionsAtouts

– Intègre • Gravitation & Grande Unification• Brisure de l’interaction élec/faible

– Fournit un candidat Matière noire avec la bonne densité relique (neutralino χ1

0 Lightest SuSy Particle)– Les SuperCordes (10D -> SUSY à 4D)– Stabilise le MS si SUSY O(TeV) -> Riche

phénoménologie au LHC • squarks, sleptons, gluinos, charginos,

neutralinos


Découverte– Topologie claire

• Jets de hadrons, • Leptons

• ETmiss (LSP est invisible)

– Evaluation précise• bruits de fond (physiques &

instrumentaux)

SUSY : Recherche

1 Lepton

Sensibilité– Accessible fin 2009

Squark, gluinoMreach ~1.5-2 TeV


Observer OK mais– Discriminer les modèles– Mesurer les paramètres

Chaîne typique SUSY

Mesure des “end-points”– Déduction des masses

χ20, qL,lR,χ1

0 ~10-15% après ajustement

Répété pour d’autres cascades – Contrainte du modèle & ses

paramètres

SUSY : MesuresmSUGRASPS1a

LSP

Désintégration de squark


Dimensions suppléméntaires (1)Pourquoi ?– Gravitation (4D) non testée pour

d<0.1mm

– Gravité diluée dans des extra dimensions compactifiées Rcompact (bulk)•Peut ramener échelle de Planck à O(TeV)•Apparaît faible -> résout la hiérarchie

Que voit-on– Spectre d’excitation des particules

•Modes de Kaluza Klein•Spectre en 1/Rcompact


ADD (R>>TeV-1)– Echelle effective

• MPL2 ~ MD

2+ R

MD ~ TeV pour R << mm

– Production de Graviton• Jets (γ) + ET

miss

• KK excitation = continuum

– Découverte • MD ~ 5-6 TeV pour δ=4-3

O(TeV-1)– En plus KK excitation des W/Z– Découverte O(4-5TeV)

Dimensions supplémentaires (2)

W(1)

100 fb-1

G(k)

Fond calibré par Z j -> ll j


Randall-Sundrum – 1 seule Xdim (R~1/MPlanck)– Phénoménologie O(TeV)– Graviton étroit

Universelles (UED)– Toutes particules -> Bulk– Spectre KK peut simuler SUSY/ à l’étude

NB : La théorie des cordes – Pont entre théorie quantique et

Relativité générale <-> entre Gravitation et autres forces

– Fonctionne seulement avec Ndimensions ~10

Dimensions supplémentaires (3)


Pourquoi ?– Objets confinés Rs. Si paramètre

d’impact <Rs -> Trous noirs produits !!

Comment– Comportement

~corps noir– Désintégration

•Isotrope•Démocratique (toutes les particules

produites), i.e W/Z, Higgs, TopAu LHC

Des trous noirs au LHC ?


Pour conclure Il doit se passer quelque chose

O(TeV) au niveau constituants– Plusieurs scénarii possibles

• SUSY est le plus attirant / prédictif

Le LHC est la 1re machine exploratoire qui va y accéder et étudier ces scénarii– Comprendre la brisure de symétrie EW– Origine de la masse– Fournir des mesures quantitatives

Résultats dès fin 2009 !

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