Département de Physique des Particules

La découverte du boson de Higgs en 2012 par les expériences Atlas et CMS au Cern a ouvert une phase de mesures de précision des propriétés du boson de Higgs, clef de voûte du modèle standard (MS) de la physique des particules. En particulier, l’étude de la production de paires de bosons de Higgs (HH) permet de mesurer un paramètre nommé auto-couplage du boson de Higgs, le dernier paramètre du MS encore non mesuré. Cette mesure constitue un test unique du mécanisme expliquant comment les particules acquièrent une masse dans le cadre du MS. Les recherches de la production HH utilisant les données enregistrées entre 2016 et 2018 établissent des contraintes fortes sur la production HH. Grâce entre autres à l’utilisation de méthodes d’analyse avancées, l’étude de ce processus très rare pousse le MS dans ses derniers retranchements. Les résultats ont été publiés dans plusieurs articles (dont un dans la revue Nature parue en juin 2022).

Le boson de Higgs, découvert au Cern en 2012 par les expériences Atlas et CMS, constitue la pierre angulaire du modèle standard (MS) de la physique des particules. Dans le cadre du MS, les masses des différentes particules sont reliées à leur interaction avec le champs de Brout-Englert-Higgs (BEH) via un mécanisme théorique connu sous le nom “brisure de symétrie” et proposé il y a plus de 50 ans par les théoriciens Brout, Englert et Higgs. Le boson de Higgs (H) lui-même résulte de ce mécanisme et sa découverte en 2012 fut donc une forte indication de la validité de cette construction théorique. Par la suite, les différentes mesures des interactions du boson de Higgs avec les autres particules du MS commes les bosons faibles Z, W et les fermions lourds (quarks b, t, leptons tau) ont confirmé les prédictions du MS proposé par Glashow, Salam et Weinberg en 1967.

La troisième période d'exploitation du LHC, à une énergie record de 13,6 TeV, a démarré le 5 juillet. Le Grand collisionneur de hadrons a recommencé à produire des collisions de protons pour les expériences, à une énergie inédite de 13,6 milliers de milliards d’électronvolts (TeV) : c'est le démarrage de la troisième période d'exploitation pour la physique pour cet accélérateur. Le LHC fonctionnera en continu pendant près de quatre ans , apportant aux expériences une statistique sans précédent, ce qui permettra d’améliorer considérablement la précision des mesures des paramètres du boson de Higgs et offrira un potentiel de découverte incomparable.

en savoir plus avec l'actualité  du Cern pour ce redémarrage 

Les quatre grandes expériences du LHC ont apporté d'importantes améliorations à leurs systèmes de lecture et de sélection des données, avec l’intégration de nouveaux systèmes de détecteurs et d’une nouvelle infrastructure informatique. Par rapport aux périodes d'exploitation précédentes, ces modifications leur permettront de collecter des échantillons de données plus importants, avec des données de meilleure qualité. Les détecteurs Atlas et CMS s'attendent à enregistrer plus de collisions pendant la troisième période d'exploitation du LHC que lors des deux périodes précédentes réunies.

À cette occasion, les laboratoires de l'Irfu et de l'IN2P3, acteurs français du LHC au CERN, vous proposent une série en 4 volets pour faire le tour des améliorations de la machine et de ses détecteurs, ainsi que des enjeux scientifiques de cette nouvelle période. Enjeux scientifiques du run3, aspects techniques et jouvences de la chaîne d'accélération et du collisionneur LHC et défis de calcul y seront abordés. 

Il y a dix ans, le 4 juillet 2012, les collaborations Atlas et CMS, auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC), annonçaient la découverte d'une nouvelle particule présentant des caractéristiques compatibles avec celles du boson de Higgs, prédit par le modèle standard de la physique des particules. Cette découverte marquait un tournant dans l'histoire de la science et elle a retenu l'attention du monde entier. L’Irfu est impliqué dans ces deux expériences depuis les premières discussions sur la construction du LHC au milieu des années 80, avant même que les collaborations s’appellent Atlas et CMS ! 

Ré-écoutez ici l'émission sur RFI "Jusqu'où nous entraînera le Boson de Higgs?" avec Rosy Nikolaidou, physicienne à l'Irfu du CEA, membre de la collaboration Atlas et Yves Sirois, physicien du CNRS au Laboratoire Leprince-Ringuet (CNRS/Institut polytechnique de Paris), membre de la collaboration CMS.

La collaboration H.E.S.S. a mené depuis plusieurs années une vaste campagne d’observations pour couvrir plusieurs centaines de parsecs autour du centre Galactique. Cette campagne d’observations coordonnée par un membre de l’Irfu/DPhP a pour but d’atteindre la meilleure sensibilité possible pour la recherche de signaux de matière noire et d’éjecta de matière provenant de Sagittarius A*. Les résultats sur la recherche de matière noire menée par une équipe de l’Irfu/DPhP ont été soumis à la revue Physical Review Letters. La région centrale de notre galaxie, la Voie Lactée, abrite de nombreuses sources astrophysiques émettant des rayons gamma aux très hautes énergies (>100 GeV). Parmi elles, se trouvent le trou noir supermassif Sagittarius A* susceptible d’être à l’origine de l’accélération de rayons cosmiques à des énergies du pétaelectronvolts (1 PeV = 10⁶ GeV), ou encore la base des bulles de Fermi, deux structures géantes en forme de lobes s’étendant sur plus de 10 kiloparsecs (1 parsec = 3,26 années-lumière = 3.085x10¹⁶ m) de part et d’autre du disque Galactique dont l’origine est encore inconnue. La région centrale de notre galaxie est également prédite comme la source la plus brillante d’annihilation de particules de matière noire et est un lieu privilégié pour tenter d'en comprendre la nature.

L'instrument spectroscopique pour l'énergie noire (DESI) a terminé ses sept premiers mois d’observations en battant tous les records de relevé  3D de galaxies, créant ainsi la carte de l'Univers la plus grande et la plus détaillée jamais réalisée. Pourtant, l’instrument n'a accompli qu'un peu plus de 10 % de son relevé de cinq ans. Au terme de sa mission, la carte 3D produite par DESI permettra de mieux comprendre l'énergie sombre et, par conséquent, le passé mais aussi l'avenir de l'Univers. Les scientifiques de DESI ont présenté les performances de l'instrument et leurs premiers résultats lors d'un webinaire du 13 janvier (lien de lenregistrement à venir).

Le fond cosmologique de neutrinos est une des prédictions du modèle cosmologique standard, mais il n'a jamais été observé directement. Ces neutrinos, dits « reliques », pourraient être capturés sur un noyau radioactif comme le tritium. Le taux de capture qui en résulte dépend de la densité locale de neutrinos reliques. Puisque les neutrinos massifs se laissent happer par le potentiel gravitationnel de notre galaxie et se regroupent localement, une modeste surdensité locale de neutrinos reliques devrait exister sur Terre. Des considérations plus exotiques pourraient conduire à des surdensités plus conséquentes. L'expérience KATRIN a publié en juin 2022 dans Physical Review Letters sa première recherche de neutrinos reliques basée sur l’analyse des données enregistrées en 2019.  L’analyse, menée par un physicien de l’Irfu, améliore de deux ordres de grandeur les limites précédentes.

La collaboration KATRIN a tout récemment fait état d'une nouvelle limite supérieure de 0,8 eV/c² sur la masse des neutrinos. Le spectromètre KATRIN présente en outre un fort potentiel pour la recherche d'éventuels nouveaux neutrinos, dits "stériles", sur la base d'une analyse fine du spectre de désintégration bêta du tritium. La collaboration vient de publier ses nouveaux résultats dans Physical Review D  sur la base des deux premières campagnes de données acquises en 2019. Ces travaux ne dévoilent pas de trace de la manifestation d’un quatrième neutrino, et KATRIN pourrait bien être un acteur de premier plan pour clarifier les anomalies observées par certaines expériences d'oscillation de neutrinos depuis une vingtaine d’années.

L'expérience KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino Experiment) située à l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) vient de franchir un seuil symbolique. Dans un article publié dans la prestigieuse revue Nature Physics, la collaboration révèle une nouvelle limite supérieure de 0,8 eV/c² pour la masse des neutrinos. Ce résultat, publié dans Nature Physics, revêt un intérêt fondamental tant pour la physique des particules que pour la cosmologie.

Les neutrinos sont les particules massives les plus abondantes de l'univers. Vestiges du Big-Bang ou de la combustion du cœur des étoiles, ils sont aussi produits dans certaines désintégrations radioactives, comme celle du tritium, un isotope instable de l'hydrogène.

À l'échelle cosmologique, ces poids plumes de l'univers jouent un rôle capital dans la répartition des galaxies. Dans le domaine de l’infiniment petit, l’origine de la masse des neutrinos reste encore inexpliquée par la théorie et pourrait être un élément clé pour dévoiler une nouvelle physique au-delà du modèle standard.

La détermination de la masse infime des neutrinos est donc une préoccupation majeure de la physique des particules, de l'astrophysique et de la cosmologie depuis des décennies.

Les équipes de l’Irfu sont engagées depuis plusieurs décennies dans une longue quête consistant à étudier le neutrino sous toutes ses facettes, pour comprendre la place qu’il tient au sein du modèle standard de la physique des particules voire au-delà, mais aussi son rôle dans l’évolution de l’Univers depuis ses premiers instants. Les traditionnelles conférences d’été ont été l’occasion de mesurer les progrès réalisés par l’armada d’expériences d’envergure internationale avec laquelle notre institut navigue pour atteindre cet ultime but. Retour sur une année 2021 riche en enseignements et en promesses…

Le 12 février 2022 le télescope à neutrinos ANTARES (Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental RESearch), a mis un terme à sa prise de données débutée en 2007. Pendant 15 ans, des milliers de neutrinos, particules fugaces, témoins précieux des phénomènes cataclysmiques de l’Univers, ont été détectés à 2500 m dans les abysses méditerranéens. L’objectif : trouver dans la carte du ciel ainsi obtenue des accumulations anormales révélant les sources du rayonnement cosmique, une pluie de particules détectée, pour la première fois, il y a plus de cent ans et dont l’origine reste encore mystérieuse. L’équipe du CEA a joué un rôle prépondérant dans la réussite de ce projet, pionnier de l’astronomie multi-messager.

Les scientifiques de l'Irfu et la collaboration H.E.S.S. observent pour la première fois l'accélération de particules en temps-réel dans notre Galaxie. Les novæ sont de puissantes éruptions à la surface d'une naine blanche dans un système stellaire binaire, dans lequel une grosse et une petite étoile orbitent l'une autour de l'autre. Une nova crée une onde de choc qui déchire le milieu environnant, entraînant des particules et les accélérant à des énergies extrêmes. L'observatoire de rayons gamma de haute énergie H.E.S.S. en Namibie a pu observer ce processus d'accélération pour la première fois. De manière surprenante, la nova détectée semble provoquer une accélération de particules à des énergies atteignant la limite théorique. Ces résultats ont fait l'objet d'une publication dans Science.