CEA
Maarten Boonekamp, physicien du département de physique des particules au CEA/Irfu, est lauréat d’une bourse ERC Advanced pour son projet Zeptometry, en partenariat avec l’Université Johannes Gutenberg à Mainz en Allemagne. Grâce à une combinaison d'expériences innovantes et de développements théoriques, les équipes du projet réaliseront la première étude quantitative de l'évolution de l'angle de mélange faible, sin²θW, en fonction de l’énergie, sur quatre ordres de grandeur. L’évolution de ce paramètre fondamental du modèle standard de la physique des particules (MS) est prédite de manière précise, mais cette prédiction est perturbée en présence de nouvelles particules ou interactions. Jusqu'à présent, les données dans ce domaine sont trop rares et imprécises pour tester réellement le MS et l'éventuelle présence de nouvelle physique.
Le projet s’articule en 3 parties :
- Conception et intégration d’un détecteur innovant pour une mesure précise de sin²θW à basse énergie avec l’expérience P2 sur l’accélérateur MESA à Mayence (démarrage de la prise de données dès 2026);
- Optimisation de la mesure de sin²θW à Q = mZ et pour la première fois exploration de l'échelle d’énergie Q au TeV avec les données d’ATLAS au LHC au CERN ;
- Développements phénoménologiques pour une interprétation cohérente des données.
Au total, l'évolution de sin²θW sera précisément cartographiée pour une énergie variant entre 100 MeV et 1 TeV. L'interprétation simultanée de ces déterminations de sin²θW permettra de sonder la nouvelle physique avec une sensibilité aux échelles de masse des nouvelles particules allant de 70 MeV à une centaine de TeV, correspondant aux échelles de longueur d'un zeptomètre (10-21 m).
Prédiction théorique (en bleu) de l’évolution de la valeur de l’angle de mélange en fonction de l’énergie (Q) selon le modèle standard (MS) et prédiction de l’influence de particules massives nouvelles. Les points de mesure actuels sont montrés en noir avec leurs barres d’erreurs associées. Les résultats attendus du projet Zeptometry sont en rouge et montrent l’apport du projet. Les expériences P2 et ATLAS sonderont l’échelle des énergies afin d’obtenir des résultats de plus grandes précisions et à de nouvelles échelles notamment pour les hautes énergies Q > 10² GeV.
Le modèle standard (MS) de la physique des particules décrit les particules élémentaires et leurs interactions. Il a permis de prédire l’existence de nombreuses particules découvertes par la suite, comme les bosons W et Z au CERN, le quark top et le neutrino tau à Fermilab, et le boson de Higgs de nouveau au CERN. Le MS est complet depuis la découverte de ce dernier en 2012, mais ne décrit toutefois qu’environ 15% de la masse totale de l’Univers. Ce mystère, parmi d’autres, suggère l’existence de nouvelles particules ou interactions qui influenceraient les valeurs des paramètres du MS. Il est alors essentiel de mesurer ces paramètres avec la plus grande précision possible pour débusquer les infimes variations porteuses de nouvelle physique.
L’une des pierres angulaires du MS est l’angle de mélange faible, sin²θW. Ce paramètre relie la masse des bosons W et Z, mais influence aussi les couplages du boson Z avec les fermions1. Ces dernières années, les scientifiques se sont concentrés sur les mesures de précision des bosons W et de Higgs, et du quarks top par exemple, et les résultats sur sin²θW ont été relativement rares. L’expérience CMS vient toutefois d’annoncer, à la conférence Moriond 2024, une mesure très prometteuse de ce paramètre.
L’objectif de Zeptometry est d’améliorer la détermination de sin²θW au pic du Z, et surtout d’étendre ces mesures à des échelle d’énergie couvrant quatre ordres de grandeur, en combinant des informations issues du LHC avec des données de basse énergie provenant de l’accélérateur MESA, hébergé par l’Université Johannes Gutenberg à Mainz en Allemagne. La combinaison de toutes ces mesures testera la dépendance en énergie de l’angle de mélange faible, à basse énergie, au pic du Z, et pour la première fois au-dessus de la masse du Z vers des énergies de l’ordre du TeV.
L’angle de mélange faible est déduit notamment de l’asymétrie dans la distribution angulaire des produits de désintégration des bosons Z. La valeur de sin²θW est dépendante de l’énergie (Q) à laquelle il est mesuré et le MS propose une prédiction théorique pour cette dépendance. Malheureusement, en dehors de LEP qui a produit une mesure précise de l’angle de mélange faible à la masse du Z, peu d’expériences ont contribué à mesurer ce paramètre qui pourrait être influencé par des particules encore inconnues.
En effet, les valeurs prédites par la théorie seraient modifiées par toute nouvelle particule ou interaction. Par exemple, un candidat matière noire d'une masse de ~100 MeV générerait une déviation d'environ 1,5 %, à des énergies Q < 10-1 GeV (courbes en pointillés orange, verts et violets) alors qu’une nouvelle interaction impliquant des particules de masses d'environ 103 GeV entraînerait des écarts de quelques % à haute énergie (courbe en pointillés rouges).
Le projet Zeptometry fournira à la communauté internationale des mesures précises de sin²θW grâce à la complémentarité entre les deux expériences, ainsi qu’une interprétation globale incluant l’ensemble de données existantes.
Liens
- Site de l'ERC : https://erc.europa.eu/news-events/news/erc-2023-advanced-grants-results
- Site partenaire : https://www.hi-mainz.de/news-events/detail/erc-advanced-grant-for-the-project-zeptometry
Contact
M. Boonekamp
