Le modèle standard des particules élémentaires décrit la matière à partir de 12 constituants et de trois interactions : les interactions électromagnétique et faible, unifiées à haute énergie en interaction « électrofaible », et l’interaction forte. Les enjeux expérimentaux actuels portent sur la compréhension affinée des interactions, notamment celle du mécanisme de la brisure de la symétrie électrofaible qui est à l’origine de la masse des particules. Ce mécanisme implique l'existence de particules nouvelles, dont la nature et le nombre dépendent des modèles. Dans le modèle standard, une seule particule appelée « boson de Higgs » est attendue, et ses propriétés, en dehors de sa masse, sont prédictibles par le calcul. Dans les extensions du modèle standard, comme le modèles supersymétriques, de nombreuses nouvelles particules sont nécessaires.

Les expériences auprès des accélérateurs aux plus hautes énergies possibles permettent de tester le modèle standard de façon de plus en plus précise afin de découvrir la théorie plus générale qui l’englobe. Ainsi, le programme électrons-positons du LEP au Cern a produit quantité de résultats de premier plan et le collisionneur électrons-protons Hera (laboratoire Desy à Hambourg) a permis une étude approfondie de l’interaction forte. Le relais est pris par les collisionneurs hadroniques comme le Tevatron (Fermilab, USA) et le futur LHC du Cern dont le potentiel de découvertes est immense. Enfin, l’avenir se prépare avec les études pour un collisionneur électrons-positons de haute énergie qui mesurera très précisément les effets révélés au LHC.

L’analyse des dernières données du LEP

Le fonctionnement du LEP s’est déroulé en deux phases, LEP1 avant 1996, suivie de LEP2 à plus haute énergie. La période 2001-2003 a été consacrée à l’analyse finale des données prises à LEP2. Les physiciens du Dapnia, engagés dans les expériences Aleph et Delphi, y ont contribué fortement.

Leur intérêt s’est porté principalement sur la recherche directe du boson de Higgs. En effet, à la clôture du LEP fin 2000, une analyse préliminaire avait révélé quelques résultats de collisions compatibles avec la production d’un boson de Higgs de 115 GeV/c² tout en étant faiblement compatibles avec les processus de bruit de fond. Après étalonnage définitif des détecteurs et réanalyse des données, la probabilité que ces événements proviennent du bruit de fond à augmenté. L’analyse finale exclut la possibilité d’un boson de Higgs de masse inférieure à 114 GeV/c² à 95% de confiance. Les physiciens du Dapnia ont été actifs sur ce sujet tant dans leurs expériences que dans le groupe de travail du LEP chargé de combiner les résultats des expériences. Ils ont également mené des analyses et des travaux d’interprétation ou de coordination dans des recherches portant sur les bosons de Higgs prédits par plusieurs extensions du modèle standard.

Par ailleurs, les corrections quantiques du modèle standard prédisent une relation entre les masses des bosons Z et W, la masse du quark top et la masse du boson de Higgs. Si la mesure des caractéristiques des W et Z est suffisamment précise pour être sensible aux effets quantiques, il est alors possible de donner une contrainte sur la valeur de la masse du boson de Higgs (voir figure 1) qui vient compléter les résultats de la recherche directe.
Le LEP a justement permis d’atteindre cette précision. À haute énergie, la mesure-clé a été celle de la masse du W. Les physiciens du Dapnia ont apporté une contribution majeure à l’analyse des données pour cette mesure dans Aleph et Delphi, notamment par une étude poussée de certaines incertitudes systématiques.

La validité du modèle standard a pu être ainsi démontrée, car les mesures de la masse du W au LEP2 et au Tevatron, et celle de la masse du top au Tevatron sont en accord avec les estimations indirectes provenant principalement de LEP1 (voir figure 1).
On peut alors déduire de ces résultats une limite supérieure à 95% de confiance de 251 GeV/c² sur la masse du boson de Higgs, ce qui laisse inexplorée une fenêtre d’une centaine de GeV/c² seulement.

L’apport de Hera

Les collisions réalisées à Hera permettent de tester les caractéristiques de l’interaction forte en sondant la structure du proton dans des conditions extrêmes. Elles permettent aussi de rechercher certaines nouvelles particules. Les physiciens du Dapnia engagés dans l’expérience H1 ont, dans ces deux domaines, finalisé des analyses sur les données prises jusqu’en 2000. On retiendra notamment une nouvelle mesure de la section efficace de diffusion Compton profondément virtuelle (DVCS), qui permettra de tester l’existence de corrélations entre constituants du proton une fois la mesure étendue à l’ensemble des données de H1. Le Dapnia a aussi contribué aux modifications de l’accélérateur réalisées pour la montée en luminosité de Hera, démarrée fin 2002, et qui après plusieurs mois de peaufinage a atteint les performances escomptées au début 2004.

Les données du Tevatron, phase 2

La phase 2 du Tevatron a démarré début 2001 à une énergie et une luminosité supérieures à celles de la phase 1, permettant d’accroître les potentialités de découvertes et la précision de mesure des masses du top et du W. Le Dapnia participe à l’expérience D0, dont le détecteur a été grandement modifié pour la phase 2, pour une mise en service qui s’est achevée début 2002. Les contributions du Dapnia à D0 sont nombreuses : conception d’un nouveau système de déclenchement calorimétrique rendu nécessaire par la haute luminosité, responsabilité de la reconstruction des muons, implication dans la mesure de l’échelle d’énergie des « jets » de particules et de leur résolution - ingrédient capital à beaucoup d’analyses - et analyse de données pour la mesure des sections efficaces de production de bosons W, de jets et de paires de jets.

Les détecteurs du LHC voient le jour

Les collisions à très hautes énergie et luminosité du LHC permettront de pousser la recherche de nouvelles particules jusqu’à des masses de l’ordre du TeV/c2 (10 fois plus grandes qu’au LEP et au Tevatron). Le Dapnia s’est investi largement dans ce projet, tant pour la réalisation des aimants du LHC que pour les détecteurs Atlas et CMS, à la conception desquels il a participé dès l’origine. Dans les deux expériences, les années 2001-2003 ont été consacrées à la construction du détecteur, à l’aménagement du site d’expérience, et à la préparation de l’analyse sur des données simulées.

Atlas

Le Dapnia a la responsabilité de construire plusieurs systèmes de détection pour le calorimètre électromagnétique central et le spectromètre à muons d’Atlas, et de développer les logiciels nécessaires à leur exploitation. En 2001-2003, plusieurs étapes importantes ont été franchies. Le calorimètre a été construit et assemblé (voir figure 2) et il est maintenant prêt pour les tests finals. Le système d’alignement des chambres à muons, conçu pour atteindre une précision de 30 μm sur plusieurs mètres, a été validé en tests sur faisceau. Les logiciels de reconstruction et de visualisation des muons ont été mis à disposition de la collaboration. Enfin, les physiciens se sont engagés dans les groupes de travail qui préparent les analyses de données.

CMS

Le Dapnia a concentré ses efforts sur le calorimètre électromagnétique à cristaux de CMS. Ses responsabilités portent sur le système de suivi en ligne de la transparence des cristaux, dont la mesure est essentielle pour le contrôle précis de la résolution en énergie, et sur l’étalonnage des modules du calorimètre. Ce système est en cours de montage sur les modules. Le traitement des données de ce suivi par une ferme de processeurs a été validé par des tests en faisceau. En 2002, CMS a été amené à redéfinir l’architecture et la technologie de l’électronique de lecture du calorimètre. Le Dapnia assure le développement du processeur de lecture sélectif, élément de la nouvelle architecture.

Le futur en collisions électrons-positons

Le Dapnia participe activement aux travaux de la composante européenne du projet de futur collisionneur électrons-positons, en particulier sur le dessin des cavités supraconductrices et sur différentes R&D de détecteurs. Dans ce cadre, deux projets de détecteurs de haute résolution sont à l’étude : une chambre à dérive temporelle lue par un détecteur Micromégas et un détecteur de vertex à électronique de lecture intégrée en technologie Cmos.