Tests et extensions du Modèle standard

Résultats des recherches directes de bosons de Higgs neutres supersymétriques au Lep, dans le cas d'une violation maximale de la symétrie CP dans le secteur de Higgs. L'espace des paramètres testés est visualisé en fonction de la masse du boson neutre le plus léger, mH1, et du paramètre tan(bêta) du modèle.

Les grandes expériences de physique auprès des accélérateurs aux plus hautes énergies accessibles permettent de tester le Modèle standard de la physique des particules et de rechercher des indices de nouvelle physique. 

 

Dans les années 90 les expériences auprès du LEP au Cern ont produit de nombreux résultats affinant la compréhension du Modèle standard. Le LEP était un grand collisionneur électron-positon qui a fonctionné de 1989 à 2000, et a permis une exploration détaillée de la physique à l'échelle électrofaible, avec de magnifiques résultats dont l'un des plus remarquable est la détermination du nombre de types de neutrinos (3) se couplant à la particule vectrice de l'interaction faible, le boson Z. C'est précisément par un très grand nombre de mesures de précision des propriétés du boson Z dans sa phase 1 que le LEP a pu contribuer, au début des années 90, à une détermination indirecte précise de la masse du quark top, peu de temps avant sa découverte par CDF et D0, au Tevatron, en 1994. Par la suite, le LEP a poursuivi une montée progressive en énergie, à la poursuite du boson de Higgs et de manifestation de la supersymétrie.  Ces recherches se sont avérées infructueuses, mais on permis de placer une limite inférieure sur la masse du boson de Higgs (115 GeV) et de contraindre fortement l'espace des paramètres de nombreux modèles de physique au-delà du Modèle standard.  Lors de sa montée en énergie, le LEP a franchi le seuil de production du boson W par paire, ce qui a permis une éblouissante confirmation de la structure de jauge non-abélienne de la théorie électrofaible.  La précision atteinte sur la masse du boson W au LEP a permis d'établir des contraintes précieuses sur la masse du boson de Higgs, via les corrections quantiques. Les physiciens du DAPNIA/SPP ont participé à deux des grandes expériences du LEP : Aleph et Delphi.

 

Au cours des années 90-2000, le Tevatron au Fermilab (Chicago) a fourni des résultats sur la physique et la masse du quark top, et a poursuivi la recherche de la physique au-delà du Modèle standard.   Le Tevatron était un collisionneur proton-antiproton aux plus hautes énergies atteintes à l'époque. Dans sa première phase, le Run I de 1992 à 1996, l'énergie dans le centre de masse était de 1.8 TeV. Pour le Run II,  de 2001 à 2011, l'énergie dans le centre de masse s'est établie à 1.96 TeV. Avant l'entrée en fonction du LHC, le Tevatron était le collisionneur hadronique le plus puissant du monde et le seul endroit où le quark top pouvait être produit ainsi que, potentiellement, le boson de Higgs, qui n'y a pas été découvert... juste entrevu. Les physiciens du DAPNIA/SPP (puis Irfu/SPP) ont fortement contribué aux deux phases de D0, l'une des deux expériences du Tevatron avec CDF.  Les sujets d’études étaient principalement des mesures plus précises du Modèle standard (quark top et boson W), et la recherche de nouvelle physique. L'analyse des données de l'expérience D0 est toujours en cours, et la production scientifique se poursuit, six années après les dernière collisions. 

 

Parallèlement, le collisionneur HERA à Desy (Hambourg) a mesuré avec une plus grande précision les sections efficaces inclusives, reliées aux densités de partons (quarks et gluons) dans le proton, ce qui constitue un apport essentiel pour la physique au LHC.  Ce collisionneur réalisait des collisions proton-électron. L’électron, ponctuel, est ici utilisé pour sonder l'intérieur du proton. Cette configuration a permis aussi de rechercher des signes de nouvelle physique. Un petit groupe du SPP participait à l'expérience H1. 

 

Toutes ces expériences ont recherché très largement des déviations possibles au Modèle standard et ont ouvert la voie des recherches menées aujourd'hui auprès du LHC au CERN, et en particulier à la découverte du boson de Higgs par les expériences Atlas et CMS, en 2012.

 

 

L'expérience CMS en cours d'assemblage en surface du point de collision 5 du LHC.

Le LHC est le grand collisionneur de protons aujourd'hui en fonctionnement au CERN.  Les premières collisions du LHC ont pris place en 2009.  C'est au cours du Run 1 du LHC, qui s'est poursuivi de 2010 à 2012 à des énergies de collision de 7 et 8 TeV, que le boson de Higgs a été découvert.  Depuis 2015, après un arrêt de deux ans pour consolidation, le Run 2 se poursuit, et le LHC bat régulièrement des records d'intensité à une énergie des collisions de 13 TeV.

 

L'idée d’installer un collisionneur de protons de très haute énergie (14 TeV) à la suite du LEP, dans le même tunnel, est apparue dès 1984 comme un extraordinaire potentiel pour la physique de l’élémentaire. Les études ont démontré que LHC est à même d’attaquer directement les grandes questions du Modèle standard et de ses éventuels prolongements.

 

Cet accélérateur et les expériences qui y sont installées constituent de très grands projets qui rassemblent la communauté mondiale. L'Irfu y a une forte contribution, sur la machine et sur les expériences de physique. Les physiciens du SPP s’y sont engagés dès la naissance du projet, et ont eu un rôle essentiel dans la gestation des deux grandes expériences généralistes : Atlas et CMS. 

 

 

 

Maj : 22/02/2017 (30)

 

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