Département de Physique des Particules

Le LHC sur la bonne pente

Le 30 mars 2010, les détecteurs Alice, Atlas, CMS et LHCb ont enregistré les premières collisions proton-proton à 3,5 TeV par faisceau produites par le collisionneur LHC du Cern. Pendant les premiers mois d’exploitation, les ingénieurs du Cern ont dû commencer par apprivoiser leur machine d’une rare complexité. Puis la « luminosité » du collisionneur, une caractéristique qui détermine le nombre de collisions par seconde aux points d’interaction situés au centre des 4 détecteurs, a commencé à croître suffisamment pour atteindre au mois de juillet un niveau qui a permis aux expériences de produire leurs premiers résultats de physique. Ces progrès de la machine sont illustrés par la figure 1 qui donne le nombre de collisions accumulées au point d’interaction Atlas en fonction du temps: en trois mois la luminosité a été multipliée par un facteur 1000 ! 

Un ordinateur distribué autour du monde

L'enregistrement des collisions produit des pétabytes de données qui doivent être traitées par des algorithmes complexes afin d'en extraire l'information utile aux physiciens. Pour faire face à ce traitement informatique colossal, plus de 150 000 processeurs d'ordinateurs dispersés sur 140 sites de 35 pays différents sont interconnectés entre eux pour former la « grille de calcul du LHC ». Un millier d'utilisateurs a déjà fait « tourner » les différents logiciels d'analyse sur ce réseau. On estime que pour produire les résultats communiqués à la conférence de Paris, les programmes d'analyse ont été lancés 11 millions de fois pendant les mois de juin et de juillet !  « Grâce au transfert en quelques heures des données entre le Cern, le centre de calcul de Lyon et la grille de Saclay, les premières analyses se sont très bien passées» affirme Jean-Pierre Meyer, responsable à Saclay de Grif, la grille de recherche en Île-de-France, un maillon du réseau du LHC, « mais si l'augmentation du nombre de collisions produits continue sur le même rythme, ce que l'on espère tous, il faudra bientôt penser à renforcer nos ressources de calcul !»  

Alice : « comptez-moi ! »

Les tous premiers résultats obtenus au LHC ont consisté à caractériser les propriétés globales des collisions proton-proton aux différentes énergies disponibles, 0,9, 2,36 et 7 TeV. La première de ces propriétés est le nombre de particules chargées produites par unité de pseudorapidité, un paramètre lié à l'angle entre la direction des particules produites dans les collisions et l'axe du faisceau. Si le résultat obtenu à 0,9 TeV est bien compatible avec les mesures plus anciennes du Cern et du Fermilab, les résultats aux énergies plus élevées sont plus surprenants : une production de particules plus importantes que prévue ! La collaboration Alice a ainsi observé une augmentation de la multiplicité — le nombre de particules produites — à 2,36 et 7 TeV plus importante que ce qui était prévu par les modèles théoriques ! La forme de la distribution de la multiplicité n'est pas non plus bien reproduite par ces modèles (figure 2) La véracité des résultats d’Alice est d’ailleurs confortée par un bon accord avec ceux de CMS.

« La vitesse avec laquelle ces résultats ont été obtenus est remarquable ! » fait remarquer Javier Castillo du groupe Alice de l’Irfu. « Alice est une expérience consacrée aux collisions ion-ion : les premiers résultats sur les collisions plomb-plomb, prévues pour la fin de l'année, seront aussi des mesures de multiplicité. Seule différence, la multiplicité attendue est environ 500 fois plus élevée ! » Alice se prépare déjà à enregistrer et mesurer ces collisions. 

Où l’on revoit de vielles connaissances

Plusieurs découvertes importantes de la physique des particules reposent sur la mise en évidence de particules se désintégrant en deux « leptons » chargés (électrons, muons). Ces particules plus que fugaces - des résonances - apparaissent comme des raies plus ou moins larges dans les « spectres de masse » de paires d'électrons ou de muons produits. Le bestiaire des particules a ainsi accueilli le J/psi dans les années 1970, puis plus tard l'upsilon et peu après le démarrage du premier collisionneur proton-antiproton du Cern, le Z, boson vecteur des interactions faibles neutres, en 1983. Quelques mois seulement après le début des prises de données, les expériences auprès du LHC observent toutes ces particules : 40 ans de physique de particules ont été redécouverts en 4 mois ! Cet exploit montre le niveau de qualité déjà atteint par les détecteurs et l'infrastructure d'analyse des données. La figure 3 montre le spectre de masse des paires de muons mesuré par Atlas où apparaissent clairement ces résonances. Le groupe de l'Irfu a grandement contribué à cette analyse qui, en particulier, a fourni une mesure précise de la masse du J/y en bon accord avec les mesures précédentes et avec le niveau de précision attendu pour les spectromètres magnétiques. Toujours à  Saclay, c'est sur le même J/ y que se spécialise l'équipe Alice de l'Irfu qui a produit de beaux résultats annoncés eux aussi lors de la conférence.   

Découvertes d’hier, références d’aujourd’hui…

 Les bosons W et Z qui « portent » l’interaction faible, ont été le sujet d'études très détaillées au cours des deux dernières décennies au LEP et au Tevatron de Fermilab : leurs caractéristiques sont maintenant bien connues et constituent des références.

Comme le dit Federico Ferri de CMS : « l’analyse détaillée des désintégrations de ces particules instables est essentielle pour permettre à la fois d'étudier les performances des différentes parties des détecteurs et pour améliorer les étalonnages et les alignements. D'autre part, les taux de production de W et Z au LHC dépendent du contenu en quarks et gluons des protons qui interagissent : leur étude permet donc d'améliorer notre connaissance des interactions de protons aux énergies du LHC, jamais atteintes jusqu'à présent. »

Les résultats de l'expérience CMS, pour lesquels la contribution de l'Irfu a été essentielle, montrent le nombre d'évènements W se désintégrant en électrons et neutrinos (figure 4) et la distribution de la masse du boson Z se désintégrant en électron et positon (figure 5). La figure 6 montre les premières mesures de taux de production de W+- et Z dans l'expérience CMS.

L’Europe au top

 Le quark top est la particule élémentaire la plus lourde connue actuellement. Découvert au Tevatron de Fermilab en 1995, il n’avait été, jusqu’au démarrage du LHC, produit qu’aux États-Unis ! Dans les données accumulées au LHC, on s’attend déjà à observer quelques collisions où un top a été produit. Ces « événements » sont activement recherchés par Atlas et CMS dont plusieurs équipes scrutent les candidats possibles parmi les millions de collisions enregistrées chaque jour. Jérôme Schwindling de l’Irfu/SPP est fier que l’événement représenté dans la figure 7, ait été identifié par le groupe Atlas de Saclay le 2 juin dernier. « C’est un excellent candidat de production simultanée de quark top et de son antiquark associé qui possède toutes les caractéristiques attendues ! » Selon lui,  « l'observation des premiers “ événements top ” va permettre, dans les prochains mois, une première mesure de son taux de production à l'énergie du LHC ainsi que, à plus long terme, une mesure de sa masse et peut-être la mise en évidence de phénomènes  non prévus par le modèle standard de la physique des particules ».