Un événement candidat pour la production d'un boson de Higgs et sa désintégration en deux photons, dans le détecteur CMS auprès du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN.
Avec la découverte du boson de Higgs en 2012, l'ensemble des mesures effectuées auprès du LHC au CERN démontre la très grande cohérence interne du Modèle standard de la physique des particules. Cependant, la compréhension des constituants élémentaires de la matière et des interactions qui les lient reste incomplète. D'autre part, les observations astronomiques les plus récentes confirment que l'expansion cosmique et la formation des grandes structures résultent principalement de l'action gravitationnelle de formes de matière ou d'énergie dont on ne connait pas la nature. Les physiciens et physiciennes du SPP abordent par la démarche expérimentale ces questions qui sont parmi les plus profondes que posent la physique et la cosmologie modernes.
Les grandes questions en physique des particules et cosmologie
Quelles sont les symétries qui régissent les interactions entre constituants ultimes de la matière ?
Les propriétés du boson de Higgs, découvert en 2012 au LHC du CERN, sont-elles conformes aux prédictions du Modèle Standard de la physique des particules ? L'étude détaillée du boson de Higgs fournira-t-elle la clé de la physique au-delà du Modèle Standard, et permettra-t-elle de lever le voile sur la nature de la matière noire ?
Pourquoi la force gravitationnelle est-elle si incroyablement faible comparée à l'électromagnétisme et aux forces nucléaires ? Existe-t-il des dimensions supplémentaires d'espace ?
La masse grave et la masse inertielle sont-elles équivalentes ? L'antimatière antigravite-t-elle ?
Le neutrino est-il une particule de Majorana, c'est-à-dire un fermion qui est sa propre anti-particule ? La symétrie CP entre la matière et l'antimatière est-elle mise en défaut dans les oscillations de saveur que subissent les neutrinos au cours de leur propagation ? Le fait que les neutrinos aient une masse très faible mais non nulle a-t-il un lien avec l'asymétrie cosmique entre matière et antimatière ?
Quels seront les grands accélérateurs du futur ? Quelles sont les stratégies à adopter au niveau français, européen et mondial pour progresser dans la compréhension du monde physique ?
Quelle est la nature de la matière noire ? Peut-on détecter la présence de la matière noire directement dans l'espace qui nous entoure avec des détecteurs souterrains, ou indirectement en analysant les rayons gamma de très haute énergie qui proviennent du centre de la galaxie ? Peut-on mettre en évidence la production de particules de matière noire dans les collisions de protons au LHC ?
Quelle est la nature de l'énergie noire ? S'agit-il d'une constante cosmologique, ou sa densité varie-t-elle au cours de l'histoire cosmique ? Peut-on exploiter toutes les sondes cosmologiques disponibles (rayonnement cosmologique, super novae, oscillations acoustiques de baryons, distorsions de décalage spectral, lentilles gravitationnelles faibles, etc.) pour identifier les composantes contribuant de l'expansion cosmique ?
Peut-on développer des principes de détecteurs de particules à la fois hyper-sensibles, hyper-rapides, résistants dans des conditions de radiations extrêmes, et raisonnablement bon marché ?
Peut-on exploiter les technologies de détection mises en oeuvre en physique des particules à des fin sociétales, par exemple en développant des instruments de visualisation médicale performants (tomographie par émission de positons) ou des systèmes innovants de production d'électricité à partir de l'énergie solaire ?
Signal du boson de Higgs dans sa désintégration en quatre leptons (pic en bleu clair, autour de 125 GeV) au-dessus du fond du Modèle standard (en rouge), dans l'expérience ATLAS auprès du Grand Collisionneur de Hadron (LHC) du CERN.
