Département de Physique des Particules

Dans sa forme standard, la double désintégration bêta est un processus par lequel un noyau se désintègre en un noyau différent et émet deux électrons et deux antineutrinos (2νββ). Cette transition nucléaire est très rare, mais elle a été détectée dans plusieurs noyaux grâce à des expériences complexes. Si les neutrinos sont leurs propres antiparticules, il est possible que les antineutrinos émis lors de la double désintégration bêta s'annihilent mutuellement et disparaissent. C'est ce qu'on appelle la double désintégration bêta sans neutrinos (0νββ), un phénomène jamais observé jusqu'à présent. Si 0νββ est détecté, cela permet de vérifier que les neutrinos sont leurs propres antiparticules, et ce serait un indice de la raison pour laquelle ils ont leurs minuscules masses - et s'ils ont joué un rôle dans l'existence de notre univers dominé par la matière. 

L'expérience CUPID-Mo, installée au Laboratoire Souterrain de Modane,  après une année de données entre mars 2019 et avril 2020 vient de fixer une nouvelle limite mondiale pour la détection de la signature 0νββ.

L’expérience internationale CUPID Mo menée par des laboratoires français de l’IN2P3 et du CEA/IRFU, teste depuis avril dernier l’usage de cristaux à base de Molybdène pour détecter des doubles désintégrations beta sans émission de neutrinos. L'expérience monte progressivement en puissance et montre dès à présent un fond proche de zéro dans la zone d'intérêt, ce qui est très prometteur. Les scientifiques de la collaboration faisaient un point à l'occasion de l'inauguration officielle les 11 et 12 décembre 2019.

La collision élastique de photons réels est un phénomène très rare dans lequel deux photons réels interagissent, produisant une autre paire de photons réels. L'observation directe de ce processus à haute énergie, impossible pendant des décennies, a été réalisée par les expériences ATLAS [1] et CMS [2] au Cern entre 2016 et 2019. Ces succès ont conduit les deux collaborations à renforcer leur implication dans ce nouveau domaine, ce qui a conduit à une nouvelle mesure, en cours de publication par l’expérience ATLAS [3]. Présentée pour la première fois à la conférence LHCP en mai 2020, l’idée nouvelle est d’utiliser les collisions de photons pour rechercher une particule hypothétique de type axion. Comme pour les premières publications sur le sujet, les personnels de l’Irfu sont à l’origine des idées à l’œuvre dans les analyses menées au Cern.

La collaboration Atlas présente à la conférence LHCP 2020 ses résultats sur la recherche de la production simultanée de quatre quarks top (4t), la particule la plus massive du Modèle Standard de la physique des particules (MS). Ce phénomène spectaculaire, jamais encore observé, permet de tester de nombreux modèles au-delà du Modèle Standard (dite « Nouvelle Physique ») qui prévoient une section efficace de production de 4t plus grande que prévue par le MS. L’analyse, coordonnée par l’Irfu, de 139 fb^-1 de collisions proton-proton à une énergie dans le centre de masse de 13 TeV enregistrés entre 2016 et 2018, permet de mettre en évidence pour la première fois cet état final rare avec un résultat à plus de trois écarts standards. L’observation (à 5 écarts standard) est attendue au Run 3 du LHC.

Le Sloan Digital Sky Survey (SDSS) publie aujourd'hui une analyse complète de la plus grande carte tridimensionnelle de l'Univers jamais créée, permettant de reconstruire l’histoire de son expansion sur une période de 11 milliards d’années.

Des scientifiques du grand relevé cosmologique SDSS/eBOSS ont construit la première carte dite « tomographique » de l’Univers lointain à très grande échelle, qui jusqu’à maintenant n’existait qu’à une dimension, le long de la ligne de visée du télescope au sol. Pour ce faire, ils ont utilisé les dernières données de forêt Lyman-alpha, qui tracent de manière indirecte la densité de matière dans la direction d’objets brillants, les quasars. La carte obtenue couvre à un cube de 3,26 milliards d’années-lumière de côté issues d’observations de près de 10000 quasars, et constitue un nouvel outil pour étudier l’histoire de l’Univers et ses structures.

Ces travaux sont en cours de publication dans la revue JCAP (arXiv:2004.01448)

La collaboration CMS a présenté sa mesure la plus aboutie actuellement des propriétés du boson de Higgs dans le canal de désintégration en deux photons à l’occasion de la conférence ICHEP en Août 2020. Les résultats sont basés sur les données complètes du Run 2 du LHC, enregistrées entre 2016 et 2018 et montrent un niveau de précision jamais atteint auparavant.

Grâce à cet échantillon accru, à des méthodes d’analyse sophistiquées utilisant l'intelligence artificielle et développées en partie par le groupe CMS de l’Irfu, des mesures jusqu’alors inimaginables voient le jour : l'étude des modes rares de production devient possible. Ce travail de fourmis a permis de réaliser des mesures de plus en plus précises des propriétés du boson de Higgs permettant de tester toujours plus en avant le Modèle Standard de la physique des particules. Ce dernier sort de nouveau triomphant de cette confrontation. 

Mais avec le redémarrage du collisionneur LHC en 2022, puis sa montée en luminosité en 2027, la quantité de données va augmenter de manière significative permettant d'examiner le Modèle Standard sous toutes ses coutures. 

L’étude précise des propriétés du boson de Higgs est une porte vers la physique au-delà du Modèle Standard dite « Nouvelle Physique ». Avec des statistiques de plus en plus grandes, les physiciens se concentrent sur les modes de production plus rares pour chercher les failles du Modèle Standard.

L’expérience CMS a fait la première observation d'un processus rare via un unique canal de désintégration du boson de Higgs. Le boson de Higgs est ici étudié dans sa désintégration en deux photons et sa production en association avec une paire de quarks top et antitop (on notera ce canal ttH).

Cette étude a permis la mesure de la section efficace de production ttH avec une précision sans précédent d’une vingtaine de pourcent, ainsi que la toute première mesure des propriétés CP (« charge-parité ») du couplage entre le quark top et le boson de Higgs. Si de telles propriétés ont été étudiées de manière extensive pour les couplages aux bosons, c’est la toute première fois que ces propriétés sont contraintes dans les couplages du boson de Higgs aux fermions (le quark top est un fermion).  Le groupe CMS de l’Irfu a joué un rôle majeur dans cette publication. Ce résultat important a été présenté par un membre du groupe CMS de l’Irfu le 14 Avril lors d’un séminaire CERN dédié [1].

Pour cette première mesure [2] , les résultats sont compatibles avec le modèle standard, mais les futures données permettront de réduire les incertitudes sur ces mesures pour tester les limites du Modèle Standard.