28 août 2015
Les analyses du LHC se poursuivent à 8 TeV et démarrent juste à 13 TeV

Du 19 au 22 juillet 2015, la communauté mondiale de physique des particules s’est réunie à Vienne à l’occasion de la Conférence sur la physique des hautes énergies 2015 de la Société européenne de physique (EPS2015). La conférence était  l’occasion pour toutes les expériences LHC de présenter leurs nouveaux résultats de la première période d’exploitation du LHC (run1 à 8 TeV de 2010 à 2012)  et de présenter les premières mesures du run2 à 13 TeV qui a démarré en juin. Les équipes du service de physique des particules (SPP) de l’Irfu sont impliquées dans 2 des grandes expériences du LHC, Atlas et CMS, qui continuent de publier des résultats du run1 à un rythme soutenu sur pratiquement tous les sujets de physique ainsi que sur les performances des détecteurs dans les conditions du run2. Ces publications sont d'ores et déjà considérées comme un héritage du run1 du LHC dans l'histoire de la physique des particules et resteront des références essentielles.

 
Les analyses du LHC se poursuivent à 8 TeV et démarrent juste à 13 TeV

Distribution de la masse invariante ZZ dans le canal à 4 leptons. Les points sont les données expérimentales. Le pic rose à 200 GeV est le résultat d'une simulation avec un Higgs additionnel.

Exploitation du run1 par l'expérience Atlas

Le groupe Atlas du SPP est directement impliqué dans la recherche d’un boson de Higgs additionnel au boson du Modèle Standard

référence de l'article: “Search for an additional heavy Higgs boson in the H→ZZ decay channel at s√=8 TeV in pp collision data with the ATLAS Detector”

La mesure des propriétés (masse, couplages aux particules du modèle standard, spin) de la nouvelle particule découverte en 2012 montre qu’elle ressemble fortement au boson de Higgs du Modèle Standard. Cependant l’existence d’un secteur de Higgs étendu contenant des bosons de Higgs supplémentaires n’est pas exclue.

L’objet de cette étude est la recherche d’un boson de Higgs additionnel de plus haute masse via sa désintégration en une paire de bosons de jauge Z. Quatre types de canaux de désintégration indépendants (llll, llνν, llqq, ννqq) ont été combinés dans cette analyse, selon que les bosons Z se désintègrent en deux leptons chargés (Z→ll), en deux neutrinos (Z→νν), ou en deux quarks (Z→qq). Aucun nouveau boson de Higgs n’a été trouvé pour le moment comme l’indique  la figure ci-contre qui montre la distribution de masse invariante ZZ dans le canal à 4 leptons. Les points (données expérimentales) sont en accord avec la simulation de processus standard. La simulation montre également (pic rose) le signal que l’on aurait observé avec un  Higgs additionnel de masse 200 GeV.

Le groupe du SPP poursuit cette recherche avec la même implication dans les nouvelles données du LHC à 13 TeV.  

 

 
Les analyses du LHC se poursuivent à 8 TeV et démarrent juste à 13 TeV

Spectre de masse invariante des deux jets dans le canal (W jj) où le W se désintègre en neutrino-lepton (électron ou muon).

Exploitation du run1 par l'expérience CMS

Le groupe CMS du SPP a fortement contribué aux analyses de recherche du boson de Higgs, en particulier dans le canal en deux photons (H→γγ) et dans le canal en deux leptons tau (H→ττ).

Outre la recherche du boson de Higgs, le groupe s'est aussi fortement impliqué dans les mesures de précision dans le cadre des interactions électrofaibles du modèle standard ainsi que dans la recherche de nouvelle physique au delà du modèle standard.

Ainsi parmi les nouveaux résultats de CMS du run1, le groupe de l'Irfu/SPP a contribué à la mesure de  section efficace de production du boson W en association avec 2 jets. La mesure est effectuée à l'aide d'un ajustement sur le spectre de masse invariante des deux jets (mjj) lorsque les W se désintègrent en un neutrino et un lepton chargé (électron ou muon).

CMS trouve une section efficace de 0.42 ± 0.10 pb, en accord avec la prédiction du modèle standard de 0.50±0.03 pb.

 
Les analyses du LHC se poursuivent à 8 TeV et démarrent juste à 13 TeV

Résolution sur l'impulsion des J/ψ en fonction d'une variable angulaire. Les réponses à 8 et à 13 TeV se superposent parfaitement (la figure du dessous montre le rapport).

Démarrage du run2 pour l'expérience Atlas

Les données des premières collisions ont permis de caractériser les performances des détecteurs dans les nouvelles conditions du run2. Un exemple de ces études concerne la performance du spectromètre à muons d’Atlas, expertise du groupe du SPP.

Pour mesurer l’efficacité d’identification des muons dans ATLAS, les physiciens analysent les desintégrations en paires de muons de particules connues comme le J/ψ. La figure ci-contre montre la précision obtenue par ATLAS sur l'impulsion des J/ψ en fonction d'une variable angulaire. Les réponses pour les deux runs (8 et 13 TeV) sont comparées et se superposent parfaitement (la figure du dessous montre le rapport).

Cette série de tests démontre que l’expérience ATLAS  est prête pour les défis du run2.

 
Les analyses du LHC se poursuivent à 8 TeV et démarrent juste à 13 TeV

Mesure de la section efficace de production de paires quark-antiquark top en fonction de l'énergie disponible dans la collision. Les points correspondent aux différentes mesures et les courbes à des calculs théoriques.

Mesure de la section efficace de production de paires quark-antiquark top à 13 TeV

Comme pour le run1, le groupe ATLAS du SPP est responsable de la mesure de la  luminosité, paramètre dont dépendent crucialement les sections efficaces. En effet, la luminosité, paramètre du collisionneur, gouverne les taux de collisions de particules. Elle dépend du nombre de paquets de protons circulant dans le collisionneur, du nombre de protons par paquets, et d'autres paramètres comme les tailles des paquets.

Les paramètres de la machine ont été modifiés en vue d’augmenter le taux de collisions au run2. Au cours de ce premier mois de redémarrage, les conditions étaient assez instables avec un faible nombre de paquets. La mesure de la luminosité a dû être faite en un temps très restreint ce qui a conduit à une incertitude de l’ordre de 10% bien supérieure à ce qui avait été obtenue au run1 (moins de 2%). Une fois les conditions stabilisées, la précision de la mesure au run2 devrait approcher celle du run1.

Avec cette incertitude on obtient une précision de 14% sur la section efficace de production de paires quark-antiquark top (contre 4% à 8 TeV). Ce résultat correspond au point rouge sur la figure ci-contre qui montre la section efficace en fonction de l'énergie des collisions. Le bon accord entre les points de mesure et les modèles confirme que la théorie de l'intéraction forte est encore bien vérifiée à cette nouvelle énergie.

En augmentant la statistique, cette incertitude va diminuer et des sections efficaces différentielles pourront être reconstruites dans lesquelles les physiciens espèrent trouver des traces de la nouvelle physique au delà du modèle standard.

 

 

Démarrage du run2 pour l'expérience CMS

CMS a également présenté de nombreux résultats basés sur les premières données du run2. Outre les analyses de performances des différents sous-détecteurs de l’expérience CMS, beaucoup de résultats concernent la redécouverte des particules du modèle standard (mis à part le boson de Higgs).

Le groupe CMS du SPP est engagé sur plusieurs sujets de physique de plus long terme dont la physique du boson de Higgs qui nécessite un lot de données beaucoup plus important que celui disponible lors de cette conférence.

Les nouveaux résultats de CMS à 13 TeV ont pu être obtenu malgré les difficultés que connaît actuellement l’expérience avec son aimant. En effet le redémarrage de l'aimant de CMS après le premier long arrêt du LHC a été plus compliqué qu'anticipé en raison d'une défaillance du système cryogénique fournissant l’hélium liquide. Cela a nécessité plusieurs interventions et retardé le démarrage des opérations de routine de la cryogénie. Actuellement l'aimant peut être utilisé, mais son utilisation de manière continue est encore limitée par les performances du système cryogénique nécessitant un entretien plus fréquent que d'habitude. Un programme complet pour rétablir ses performances nominales est en cours. Ces activités de récupération du système  cryogénique doivent être synchronisées avec le calendrier de l'accélérateur. Une consolidation et un programme de réparation est en cours d'organisation pour les prochains arrêts techniques de la machine ainsi que l'arrêt technique plus long à la fin de l'année.

 

Contacts: Claude Guyot (contact Atlas au SPP), Marc Besançon (contact CMS au SPP)

 

Maj : 03/09/2015 (3608)

 

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