Les New Small Wheels (NSW, nouvelles petites roues) sont le projet le plus important de la phase 1 de la jouvence du détecteur ATLAS, en vue des prises de données à haute luminosité. L’IRFU a été fortement impliqué dans la conception, la construction, l’intégration, la mise en œuvre, et le fonctionnement des NSW. Les NSW combinent deux technologies complémentaires : sTGC (small-strip Thin Gap Chambers), et Micromegas (Micro-Mesh Gaseous Structure). Les Micromegas ont été initialement développées par l’IRFU en collaboration avec le CERN dans les années 1990. C’est la première fois qu’elles sont utilisées à une si grande échelle : les NSW contiennent 1200 m² de plans de Micromegas, dont un tiers a été construit par l’IRFU à Saclay. Les deux roues ont été installées en 2021, à temps pour le début des prises de données du Run 3 du LHC. Depuis le printemps 2024, sTGC et Micromegas participent au système de déclenchement des muons vers l’avant du détecteur (end-cap), améliorant la réjection du bruit de fond de plus d’un facteur 2, réduisant ainsi le taux de trigger de 25 kHz à 11 kHz. Cela permet à ATLAS de prendre des données à une luminosité et un taux d’empilement jamais atteints auparavant.
Dix ans après la découverte du boson de Higgs, le LHC a commencé en 2022 une phase de prise de données à une énergie encore inégalée de 13,6 TeV. Une telle énergie ouvre la porte à de nouveaux tests du modèle standard (MS). Le boson de Higgs, en particulier, sera attentivement scruté. L’expérience CMS dévoile pour la conférence ICHEP 2024 ses premières mesures sur les propriétés du boson de Higgs, dans les canaux de désintégrations H→γγ (diphoton) et H→ZZ*→4l (4 leptons), à cette énergie record, mettant ainsi en lumière les contributions majeures des équipes de l’Irfu à l’analyse du canal diphoton. Ces premières mesures, conformes aux prédictions théoriques, confortent le MS mais la traque de la physique au-delà du MS ne fait que commencer à une telle énergie...
Abstract: Le proton est un objet complexe rempli de particules élémentaires, les quarks et les gluons, interagissant entre elles via l'interaction forte. Nous savons à partir de mesures antérieures réalisées à haute énergie (expérience HERA à Hambourg 1992-2007) que la structure des protons est dominée par les gluons quand on le sonde à petite distance (haute énergie). Les gluons sont capables d’interagir entre eux et leur fusion impliquerait que leur nombre croit sans limite. Or la théorie des interactions fortes prédit une saturation de la densité de gluon. Pour valider cette prédiction théorique, des chercheurs de l'Irfu de la collaboration ALICE au LHC ont réalisé une première mesure sensible aux fluctuations de la densité de gluons dans le proton. Cette mesure, rendue possible grâce à une meilleure maîtrise du bruit de fond, présente la même évolution avec l’énergie que celle observée à HERA et avec une précision similaire. Ce résultat ouvre la voie à de futures mesures à des énergies plus élevées accessibles dans les collisions proton-plomb au LHC (Run 4 ~2029) avec ALICE et LHCb.
Avec plus de 5 000 scientifiques, ingénieurs, techniciens, administrateurs et étudiants, CMS est l'une des plus grandes collaborations scientifiques au monde. Comptant parmi ses rangs des membres provenant de plus de 240 instituts et universités, répartis dans près de 50 pays à travers le monde, cette collaboration exploite les données fournies par l'experience CMS, l'un des deux détecteurs généralistes géants installés le long de la circonférence du LHC, le grand collisionneur de hadrons du CERN.
Gautier Hamel de Monchenault, physicien au département de physique des particules du CEA-Irfu, a été élu lundi 12 février 2024 dixième porte-parole de la collaboration CMS au CERN et exercera cette fonction prestigieuse du 1er septembre 2024 au 31 août 2026. Il sera le 10ème porte parole de la collaboration CMS et le deuxième porte-parole français à diriger l'une des quatre expériences du LHC.
Ces années intenses verront la fin de la troisième période de prise de données du LHC tel que nous le connaissons, et le début de l’installation des mises à jour du détecteur en vue des données du HL-LHC, à haute luminosité, ainsi que la mise à jour de la stratégie européenne en physique des particules.
La collaboration ATLAS a annoncé à la conférence Moriond l’observation de la production simultanée de quatre quarks top. C’est un des processus les plus rares et les plus lourds jamais observé au Large Hadron Collider (LHC). Cette mesure, coordonnée par l’Irfu, permet de tester le modèle standard de la physique des particules dans ses prédictions les plus complexes.
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.
Après une dizaine d’années de R&D et de prototypage en collaboration avec la société TRONICO à Nantes, l’Irfu a livré, en juillet 2021 au CERN, l’ensemble des 74 nouvelles cartes de déclenchement du calorimètre électromagnétique d’ATLAS, produites par la société FEDD. Ces cartes sont destinées à la refonte du système de déclenchement, nécessaire pour gérer le flux de données croissant fourni par le LHC dès son redémarrage en février 2022. La production de ces cartes très complexes, possédant plus de 13000 composants résistants aux radiations et nécessitant des technologies électroniques et électro-optiques avancées, a demandé toute l’expertise et les compétences de l’Irfu au cours des dernières années. Elles transmettent chacune un volume de données de 200 Gbps (Gigabits par seconde).
Dans le cadre de l’augmentation de luminosité du Large Hadron Collider (LHC), la première phase d’amélioration de l’expérience Atlas arrive à son terme, avant un redémarrage prévu début 2022. Pour répondre aux exigences de la physique dans un environnement hautement radiatif et à haut flux de particules, les deux roues internes du spectromètre à muons vont être remplacées par un nouveau dispositif : les New Small Wheels (NSW) ou nouvelles petites roues.
Après plusieurs années de R&D et de production, l’Irfu vient tout juste d’envoyer au Cern le dernier des 32 modules de détection qui seront intégrés dans les NSW. Cela correspond à l’assemblage d’environ 400 m2 de détecteurs gazeux basés sur la technologie Micromegas : un record !
Voir : la vidéo des étapes d'assemblage et de tests d'un module sur la période 2017-2021
Le spectromètre à muons de l’expérience Atlas est une contribution importante de l’Irfu depuis l’époque de sa conception, et ses équipes sont aujourd’hui toujours en charge de son alignement. Le spectromètre joue un rôle déterminant dans la reconstruction des muons de haute énergie, dont la détection est cruciale pour la recherche de phénomènes au-delà du modèle standard. Le spectromètre est composé d’environ 1200 chambres à muons qui forment un édifice gigantesque de 44 m de long pour 24 m de diamètre. Malgré ces proportions imposantes, les positions relatives des chambres doivent être connues avec une précision de l’ordre de 50 μm pour atteindre les performances optimales du spectromètre. À cette fin, un réseau de lignes optiques permet de suivre en permanence les positions des chambres les unes par rapport aux autres, ainsi que leurs déformations. Une procédure élaborée permettant de reconstruire les 56000 paramètres déterminant l’alignement (pour la partie centrale) a été développée par une équipe de l’Irfu afin d’obtenir la précision requise pour la reconstruction de muons de haute énergie. Cette méthode, adoptée par la collaboration ATLAS, est exposée pour la première fois dans une note Atlas.
La phase haute luminosité du LHC (HL-LHC) devrait permettre de collecter un jeu de données sans précédent dans l'histoire de la physique des particules. Afin d’enregistrer ces données le détecteur Atlas subira une cure de jouvence importante. L’Irfu, via le Paris-Cluster en synergie avec deux autres laboratoires d’Ile de France, s’engage dans la construction d’une partie du trajectographe interne. L’année 2021 commence en fanfare pour le Paris-Cluster qui vient de franchir un jalon important dans cette aventure : la première phase des processus d’assemblage et de tests développés par nos équipes a été validée par la collaboration Atlas.
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.
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.
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.
Les collaborations CDF et D0 du Tevatron viennent de recevoir le prix 2019 de la physique des particules et des hautes énergies attribué par la société européenne de physique pour la découverte du quark top en 1995 et les mesures détaillées de ses propriétés de 1995 à nos jours. Ce prix récompense ainsi les physiciens et ingénieurs de l'Irfu qui ont contribué à la construction du détecteur D0, à la découverte du quark top, et ont mené de nombreuses études sur la physique du quark top.
Comme chaque année, les conférences de Moriond ont rassemblé les physiciens de physique fondamentale pour partager au bord des pistes les dernières découvertes et mesures en matière d’interactions faibles et théories unifiées (Moriond EW), interaction forte et interactions à haute énergie (Moriond QCD) , et gravitation (Moriond gravitation). De très jolis résultats ont été présentés, dont certains portés par les équipes de l’Irfu.
Un nouveau chantier s’ouvre aujourd’hui, vendredi 15 juin 2018, au LHC, le grand collisionneur de hadrons. Initié en 2011, ce projet vise à mettre en service d’ici à 2026 un LHC haute luminosité (HL-LHC) qui permettra d’augmenter le nombre de collisions protons-protons et de récolter davantage de données. La France contribue de manière importante à ce projet (à hauteur de 180M€, masse salariale incluse). Les équipes du CNRS et du CEA participent en particulier à la recherche et aux développements technologiques sur les aimants supraconducteurs ainsi qu’à la jouvence des détecteurs et de l’accélérateur. Côté français, ce sont ainsi plus de 400 scientifiques qui accompagnent le renouveau du plus grand et du plus puissant collisionneur de particules au monde.
Les collaborations Atlas et CMS, auxquelles participent des équipes du CEA/Irfu et du CNRS/IN2P3, ont annoncé le 4 juin 2018 à la conférence LHCP l’observation directe du couplage du quark top au boson de Higgs. Etudier l'interaction entre le boson de Higgs et la particule élémentaire la plus lourde que l'on connaisse, le quark top, est une voie de recherche des effets de la nouvelle physique, qui doit prendre le relai du modèle standard.
Les résultats des analyses, orchestrées par des physiciens de l’Irfu/DPhP , ont conduit à l’observation de ce processus rare et sont en accord avec les prédictions du modèle standard. Ces prochaines années, les deux expériences collecteront bien plus de données et amélioreront la précision de leurs mesures, ce qui pourrait permettre de mettre à jour une déviation par rapport à la prédiction du modèle standard.
article CMS: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.231801
article Atlas soumis à publication, lien arXiv :https://arxiv.org/abs/1806.00425
La collaboration Atlas a présenté au Cern, le 24 octobre 2017, des preuves de la production de bosons de Higgs en association avec une paire de quarks top et antitop, dans les données enregistrées en 2015 et 2016 à 13 TeV d’énergie de collision proton-proton. L’observation de ce processus rare, objet de recherches menées au sein du groupe « ttH », orchestré par un physicien de l’Irfu/DPhP, ouvre des perspectives quant à l’étude du mécanisme de Higgs via la mesure du couplage du quark top au boson de Higgs.
Pour la première fois, les expériences Atlas et CMS cosignent un article, soumis à la revue JHEP, sur la physique du quark top. Ce travail collaboratif, dont les physiciens de l’Irfu ont été responsables pour la partie Atlas, consiste à combiner les mesures des deux expériences de ce qu’on appelle l’asymétrie de charge dans la production des paires de quarks top-antitop, Ac. En réduisant significativement l’erreur sur la mesure finale, ce travail permet de tester le phénomène subtil d’asymétrie prédit par le modèle standard de la physique des particules et l’éventuelle présence ténue de nouvelle physique.
Des physiciens de l'expérience ATLAS, au CERN, ont observé le premier signe direct de la diffusion lumière-lumière à haute énergie, un processus très rare dans lequel deux photons (des particules de lumière) interagissent et changent de direction. Le résultat publié le 14 aout dans la revue Nature Physics confirme l'une des plus anciennes prédictions de l'électrodynamique quantique.
Les physiciens d'ATLAS vont continuer à étudier la diffusion lumière-lumière pendant la prochaine exploitation du LHC avec ions lourds, prévue pour 2018. Avec davantage de données, la précision du résultat sera encore meilleure, ce qui pourrait ouvrir de nouvelles perspectives pour les études sur la nouvelle physique
en savoir plus:
février 2017: le fait marquant Irfu de février 2017
14 aout 2017: le communique de presse du CERN
contact Irfu: Laurent SCHOEFFEL
Du 5 au 12 juillet 2017, la communauté mondiale de physique des particules s’est réunie à Venise à l’occasion de la conférence EPS2017, occasion pour toutes les expériences LHC de présenter les résultats issus de l’exploitation des données fournies par le LHC à 13 TeV (de 2015 à 2016). Des physiciens du DPhP, experts en recherche d’hypothétiques particules de type « boson de Higgs » mais plus massifs, ont contribué aux résultats présentés. Leurs analyses nouvelles permettent d’améliorer la sensibilité aux Higgs lourds.
La réaction à 4 photons : γ+γ→γ+γ est théoriquement possible comme prédit dès 1936, mais cette réaction a toujours été inaccessible malgré les dizaines de tentatives expérimentales. L’intérêt de mesurer son taux de réaction est qu’il est lié aux propriétés du vide quantique. C’est dans ce contexte que l’expérience Atlas a annoncé en 2016 sa première observation, obtenue avec des données enregistrées fin 2015 correspondant à environ 4 milliards de collisions de physique (toutes réactions confondues) en ions plomb contre plomb à 5 TeV. Un physicien de l’Irfu/SPP a dirigé l’équipe qui a réalisé cette mesure, dont la publication vient d'être soumise à Nature Physics.
Mardi 13 décembre 2016, un chercheur de l’Irfu/SPP a présenté au Cern, au nom de la collaboration Atlas, la première mesure de la masse du boson W effectuée avec les données du LHC. Les données analysées sont celles des collisions proton-proton enregistrées en 2011 à une énergie de collision de 7 TeV et correspondent à une luminosité intégrée de 4,6 fb-1. La valeur mesurée est 80370 ± 19 MeV, compatible avec la prédiction du modèle standard et avec la moyenne mondiale des mesures précédentes. Le résultat présenté par Atlas égale en précision la mesure de l'expérience CDF au TeVatron, la plus précise à ce jour.
Le 1er septembre 2015, à l’occasion de la conférence annuelle sur la physique auprès du grand collisionneur de hadrons (LHCP 2015), les expériences Atlas et CMS ont présenté pour la première fois leurs résultats combinés sur les propriétés du boson de Higgs avec les données de 2011 et 2012, offrant ainsi les résultats les plus précis à ce jour. Les physiciens de l'Irfu et de l'In2p3 de ces expériences ont contribué en fournissant leurs mesures avant la combinaison mais aussi en travaillant sur les mesures combinées. Les groupes de l'Irfu ont participé aux mesures dans le canal de désintégration du boson de Higgs en deux bosons Z pour Atlas, et en deux photons et deux leptons tau pour CMS.
Toutes les propriétés concordent avec les prédictions du modèle standard de la physique des particules. Ces mesures vont servir de référence pour les analyses à venir effectuées avec les nouvelles données de la phase 2 du LHC.
Lien vers la publication : http://cds.cern.ch/record/2053103/files/HIG-15-002-pas.pdf
Du 19 au 22 juillet 2015, la communauté mondiale de physique des particules s’est réunie à Vienne à l’occasion de la Conférence sur la physique des hautes énergies 2015 de la Société européenne de physique (EPS2015). La conférence était l’occasion pour toutes les expériences LHC de présenter leurs nouveaux résultats de la première période d’exploitation du LHC (run1 à 8 TeV de 2010 à 2012) et de présenter les premières mesures du run2 à 13 TeV qui a démarré en juin. Les équipes du service de physique des particules (SPP) de l’Irfu sont impliquées dans 2 des grandes expériences du LHC, Atlas et CMS, qui continuent de publier des résultats du run1 à un rythme soutenu sur pratiquement tous les sujets de physique ainsi que sur les performances des détecteurs dans les conditions du run2. Ces publications sont d'ores et déjà considérées comme un héritage du run1 du LHC dans l'histoire de la physique des particules et resteront des références essentielles.
Les collaborations ATLAS et CMS ont présenté pour la première fois leur mesure combinée de la masse du boson de Higgs, parvenant à une mesure précise à 0,2% près. Présentée lors de la 50e édition des «Rencontres de Moriond» en Italie le 17 mars 2015, cette mesure est l’une des plus précises obtenues au LHC à ce jour. Les physiciens du CEA-Irfu ont joué un rôle majeur pour obtenir ce résultat, à travers leurs contributions sur l’étalonnage des calorimètres électromagnétiques d’ATLAS et de CMS ainsi que sur la reconstruction des muons dans le spectromètre d’ATLAS.
Depuis la découverte d'un boson de Higgs par les expériences Atlas et CMS en juillet 2012, les physiciens des deux collaborations ont multiplié les efforts pour mesurer les propriétés de cette nouvelle particule. Après des décennies de recherches, la découverte de 2012 représente une étape historique pour le LHC et a conduit à l'attribution du Prix Nobel de Physique à Peter Higgs et Francois Englert en 2013. Une question restant ouverte après cette découverte concerne la nature de cette nouvelle particule, à savoir si elle correspond bien à celle attendue dans le cadre du modèle standard ou bien si elle est une particule différente et peut-être l'une des nombreuses particules encore à découvrir. Avec les résultats présentés aux conférences cet été, les physiciens du LHC ont commencé à apporter des réponses à ces questions et montré que, pour le moment, la particule se comporte comme le boson de Higgs du modèle standard.
Les scientifiques des expériences de physique des particules ATLAS, CDF, CMS et D0 ont, pour la première fois, joint leurs forces pour combiner leurs données et produire le premier résultat commun issu des deux plus puissants collisionneurs au monde : le Tevatron à Fermilab près de Chicago et le LHC au CERN près de Genève. Ensemble les quatre expériences ont permis d’atteindre une précision inégalée de 0,4% sur la masse de la particule la plus lourde du modèle standard : le quark top. Ceci pourrait donner des clés pour rechercher la nouvelle physique au-delà du modèle standard. Les chercheurs du CEA à l’Irfu, en collaboration avec leurs collègues du CNRS, sont au centre de cette nouvelle avancée.
Le 21 février 2014, les physiciens de D0 et CDF ont annoncé l'observation pour la première fois d'un mode extrêmement rare de production du quark top célibataire auprès du collisionneur proton-antiproton Tevatron : la production par interaction faible dans la voie « s ». Ce résultat concernant la particule élémentaire connue la plus lourde, le quark top, est en accord avec le taux de production du modèle standard de la physique des particules. Il a été très difficile à obtenir. En particulier, il s'appuie sur des techniques d'intelligence artificielle et a nécessité deux ans et demi d'analyse des données, après l'arrêt définitif du collisionneur en 2011. C'est un succès majeur pour les expériences du Tevatron, d'autant plus qu'il sera très difficile de réaliser une mesure similaire au LHC. L’équipe D0 de l'Irfu/SPP participe à ces mesures depuis le début et coordonne les études du quark top dans la collaboration D0 depuis plusieurs années.
A l’occasion de la conférence EPS-HEP 2013, grand rendez-vous de la physique des hautes énergies qui se déroule à Stockholm du 18 au 24 juillet, la collaboration internationale T2K, à laquelle participent des physiciens du CEA et du CNRS, annonce la découverte d’un nouveau type d’oscillation de neutrino correspondant à la transformation d’un neutrino muonique en un neutrino électronique. En 2011, les physiciens de T2K avaient réussi à détecter un premier signal de ce type de transformation. Aujourd’hui, grâce à l’accumulation de nouvelles données, environ 3,5 fois supérieures à celles obtenues en 2011, les physiciens de l’expérience T2K apportent la preuve de l’existence d’un tel phénomène, avec une incertitude inférieure à une part sur mille milliards. Cette découverte établit pour la première fois de manière non ambigüe l’apparition, au point de détection, d’un neutrino de saveur bien définie (type électronique), différente de celle que le neutrino possédait au départ, au moment de sa création (type muonique).
Depuis l'annonce spectaculaire de juillet 2012, les physiciens ont analysé deux fois et demie plus de données que ce qui était alors disponible. Leurs derniers résultats ont été présentés jeudi 7 mars à La Thuile, dans les Alpes italiennes, lors des "Rencontres de Moriond", la première conférence de physique majeure de l'année.
Le 14 décembre 2012, « Physics World » a dévoilé sa liste des dix percées scientifiques en physique pour l’année 2012. Des physiciens du Service de Physique des Particules de l’Irfu sont impliqués dans trois des quatre plus importantes publications de 2012 selon ce classement. La première place revient à la découverte d’une nouvelle particule compatible avec le boson de Higgs par les expériences ATLAS et CMS sur le LHC au CERN. La quatrième est remportée par l’observation du mouvement des amas de galaxies par l’expérience BOSS. Classée en troisième position figure la première mesure directe de la violation de l’invariance par renversement du temps effectuée par la collaboration BABAR. Ce résultat qui est expliqué ci-dessous.
Le mardi 23 octobre 2012, au musée du quai Branly, le Prix La Recherche 2012 [1] dans la catégorie Physique a été décerné aux membres de l’expérience T2K (Tokai to Kamioka) [2,3] au Japon, qui étudie les oscillations de neutrinos, pour les premiers résultats publiés en juin 2011 [4].
Les résultats préliminaires obtenus par les expériences Atlas et CMS du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) dans le cadre de la recherche du boson de Higgs indiquent l'existence d'une nouvelle particule dans la région de masse autour de 126 GeV. Il s'agit d'un boson dont les caractéristiques sont compatibles avec celles du célèbre boson de Higgs. Bien que des analyses complémentaires soient nécessaires pour en établir la nature exacte, cette découverte représente une étape cruciale dans la compréhension de l'univers et de la matière.
"C est une découverte majeure telle que l on en voit que quelques unes par siècle", déclare Philippe Chomaz chef de l'Irfu.
"Le LHC, CMS et ATLAS correspondent à un investissement majeur de la communauté internationale dans lequel l ensemble de l irfu contribue fortement. Je tiens à saluer l extraordinaire investissement de chacun dans cette aventure qui ne fait que commencer avec la découverte de ce nouveau continent inconnu : le secteur du Higgs.
Les dernières analyses de la collaboration D0 au Tevatron ont atteint une précision inégalée comme par exemple 1,8% sur la masse du quark top dans une voie de désintégration particulière avec deux leptons (comme des électrons ou des muons). Les physiciens du groupe D0 du SPP ont publié, dans différentes revues scientifiques, quatre nouvelles mesures confirmant les prédictions du modèle standard. Ces mesures utilisent, pour le moment, la moitié de la statistique accumulée au Tevatron par l’expérience. Elles se poursuivront jusque fin 2012 et permettront peut-être de découvrir, une contribution possible de physique au-delà du modèle standard.
Le quark top est une particule unique qui suscite la curiosité des physiciens depuis toujours. Dès qu’il est créé, il se désintègre alors que les autres quarks une fois créés, se retrouvent immédiatement confinés avec d’autres quarks et des gluons pour former un état lié (appelé hadron). Ce confinement engendre une inconnue supplémentaire dans la reconstruction des processus élémentaires. Ainsi les observables de la physique du quark top sont plus faciles à modéliser. Du fait de sa grande masse, le quark top est également une sonde particulièrement sensible aux phénomènes nouveaux.
Lors des conférences de mars 2012, les physiciens du Tevatron et du LHC ont dévoilé les derniers résultats sur leur recherche du bosons de Higgs.
Le domaine encore permis pour la masse du boson de Higgs est maintenant réduit à un intervalle de 10 GeV aux alentours de 120 GeV.
Après les premières analyses de l'ensemble des données enregistrées par le Tevatron, les collaborations CDF et D0 ont trouvé un excès d'événements entre 115 et 135 GeV. Même si cet excès peut être encore interprété comme une fluctuation statistique, il est compatible avec un excès similaire observé autour de 125 GeV par les expériences ATLAS et CMS avec les données du LHC accumulées jusqu'en 2011.
Le boson de Higgs est la pierre angulaire manquante du modèle standard de la physique des particules. Recherché depuis plus de 20 ans, cette particule, si elle existe, permettrait de donner une masse à toutes les autres particules.
Sans quelque chose comme le boson de Higgs qui donne une masse aux particules élémentaires, le monde serait extrêmement différent de ce qu'il est. Par exemple il ne pourrait pas exister d'atome pour former des planètes ou des êtres vivants.
Découvrir ce boson permettrait, outre l'achèvement de la description du modèle standard, d'obtenir des informations précieuses sur l'existence d'éventuelles particules ou forces au delà du modèle standard.
Les expériences Atlas et CMS du LHC ont présenté le 13 décembre au Cern, à Genève, l’avancement de leur recherche du boson de Higgs du Modèle standard de la physique des particules. Leurs résultats s’appuient sur l’analyse d’un volume de données beaucoup plus grand que les résultats présentés lors des conférences d’été. Cette accumulation de données permet de marquer un progrès sensible dans la quête du boson de Higgs, mais ne suffit pas pour trancher sur l’existence ou la non-existence de cette insaisissable particule.
La principale conclusion est que, si le boson de Higgs du Modèle standard existe, le plus probable est que sa masse est circonscrite par l’expérience Atlas dans le créneau 116-130 GeV et par l’expérience CMS dans le créneau 115-127 GeV. Les deux collaborations ont trouvé des indices prometteurs dans cette gamme de masses, mais ceux-ci ne sont pas encore assez solides pour qu’il soit possible de parler de découverte. Les équipes du CNRS/IN2P3 et du CEA/Irfu ont joué un rôle de premier plan dans ces analyses.
Le 30 septembre 2011 à 14 h 32 heure locale, le détecteur D0 a définitivement suspendu sa prise de données sur faisceaux. Quelques secondes plus tard, Helen Edward, la responsable de la construction du Tevatron dans les années 80, a fait cesser les dernières collisions dans le Tevatron, puis coupé le courant des électro-aimants qui ont guidé les faisceaux à travers le Tevatron pendant 28 ans. Cet moment historique a été suivi d’une « lab-wide party » où tous les anciens et actuels collaborateurs du Tevatron on célébré l’événement.
Après presque une année de prises de données en collisions proton-proton, le LHC du CERN a commencé l’injection d’ions de plomb début novembre et a très vite délivré des collisions dès le 8 novembre. L’énergie dans le centre de masse nucléon-nucléon est de 2,76 TeV, environ 10 fois supérieure à celle atteinte précédement au RHIC de Brookhaven (USA). Les premiers résultats d'ALICE ne se sont pas fait attendre.
Les physiciens travaillant sur les expériences CDF et D0 auprès de l'accélérateur Tevatron de Fermilab (Chicago), dont ceux de l’IN2P3/CNRS et de l’Irfu/CEA, ont annoncé leurs résultats les plus récents le 26 juillet lors de la conférence internationale en physique des hautes énergies ICHEP 2010 à Paris. Leurs mesures contraignent davantage la fraction du domaine de masse du boson de Higgs qui reste autorisée dans le modèle standard de la physique des particules. CDF et D0 excluent ainsi un boson de Higgs ayant une masse entre 158 et 175 GeV/c2. De plus en plus d’indices pointent vers une masse faible pour ce fameux boson : une réponse à cette énigme dans les deux ans à venir ?
Du 22 au 28 juillet, s’est déroulée au Palais des congrès de Paris la 35e conférence internationale de physique des hautes énergies (ICHEP), l’occasion pour les équipes du LHC de montrer leurs premiers résultats de physique. L’Irfu est engagé dans trois des quatre grandes collaborations qui ont installé leurs détecteurs aux points de collisions de l’anneau : Alice, Atlas et CMS. Nos équipes ont contribué tout particulièrement à quelques analyses fondamentales pour la maîtrise des détecteurs dont les performances sont plus qu’à la hauteur des attentes.
Dans le cadre de l'expérience DZero(1) réalisée auprès de l'accélérateur Tevatron de Fermilab(2) (Chicago) et à laquelle participent le CNRS/IN2P3 et le CEA/Irfu, les physiciens ont mesuré une violation significative de la symétrie matière-antimatière dans le comportement des particules contenant des quarks b, appelées "mésons B" (ou "mésons beaux")(3), et ceci au-delà des prédictions du modèle standard, la théorie actuelle de la physique des particules. Ce résultat a été soumis pour publication dans la revue Physics Review D.
Depuis le redémarrage du LHC le 20 novembre, CMS a bénéficié des excellentes performances d'opération du collisionneur pour enregistrer de nombreuses données utiles à la vérification de son bon fonctionnement et à son étalonnage. CMS a démontré durant cette période la stabilité des conditions de travail du détecteur, ainsi que l'efficacité de sa chaîne d'analyse des données, depuis le détecteur jusqu'aux équipes d'analyse à travers le monde, et ceci en dépit de conditions de faisceaux changeant très rapidement.
Le 20 novembre, le premier faisceau a atteint CMS à l'énergie d'injection (450 GeV) autour de 19 h. Dès 23 h 30, le deuxième faisceau a à son tour atteint le détecteur. CMS a tout de suite mis à profit les interactions entre le faisceau circulant et la matière environnante, en détectant dans les calorimètres électromagnétique (ECal) et hadronique (HCal), ainsi que dans les chambres à muons des bouchons, les particules ainsi produites. Ces beam splash events ont permis, par exemple, d'améliorer la synchronisation des deux calorimètres et aussi de tester les performances des chambres à muons.
Le 23 novembre vers 13 h, pour la première fois, deux faisceaux ont circulé simultanément dans le LHC. Dès le début de l'après-midi, les faisceaux ont été conduits à se croiser aux points où sont situés les détecteurs Atlas et CMS. Dans la soirée, les faisceaux ont été optimisés pour CMS qui a pu enregistrer ses premières « vraies » collisions.
Le lundi 23 novembre 2009, marque la première collision de faisceaux de particules au sein des grands détecteurs du LHC. ALICE a vu ses premières collisions à une énergie de collision de 900 GeV permettant de vérifier le bon fonctionnement de ces 18 grands détecteurs le constituant. Dès le 27 novembre, avec seulement quelques jours de données, la collaboration a même publié un article confirmant des mesures existantes.
Le groupe de l'Irfu, responsable du bras dimuons, a du attendre des conditions de faisceaux plus stables pour voir leurs détecteurs réagir aux données issues des collisions et le 6 décembre tous les détecteurs gazeux ont pu être mis sous tension. Les traces des premiers muons ont pu être reconstruites avec succès apportant une grande satisfaction à toute l'équipe qui a hâte de reprendre des données pour le redémarrage prévu en février 2010.
Après l'accident survenu sur l'accélérateur du LHC quelques jours après sa mise en service en 2008, la collaboration ATLAS était impatiente d'observer de « vrais » événements produits au centre du détecteur, et de faire fonctionner l'appareillage en conditions réelles. Après quelques jours d'essais avec un seul faisceau, Atlas enregistrait le 23 novembre ses premières collisions proton-proton, à l'énergie d'injection dans le LHC (450 GeV par faisceau, soit 900 GeV dans le centre de masse de la collision). Les analyses ont permis de reconstruire des particules instables connues en détectant leurs produits de désintégration, prouvant le bon fonctionnement des détecteurs et des logiciels associés. Le groupe Atlas du service de physique de particules de l'Irfu a aussi pu vérifier le comportement des sous-ensembles des détecteurs à muons, et du calorimètre électromagnétique dont ils ont la responsabilité. Des collisions à 2,38 TeV (1,19 TeV par faisceau) ont été enregistrées avant la mise au repos du LHC le 16 décembre, établissant un nouveau record mondial pour l'accélérateur de particules le plus puissant du monde. Le LHC redémarrera en février 2010 après un court arrêt technique en vue de collisions à plus haute énergie et à plus haute intensité. La collaboration ATLAS sera prête pour comprendre ces collisions encore jamais observées.
Le quark top est une particule élémentaire étonnante. Il est le plus lourd des six quarks du modèle standard de la physique des particules puisqu’il « pèse » autant qu’un atome d’or. Il est aussi particulièrement fugace et se désintègre en d’autres particules avant même de former des particules « composites » comme le font les autres quarks plus légers. Il a été découvert en 1995 par les expériences D0 et CDF au Fermilab près de Chicago, le seul accélérateur de particule suffisamment puissant pour produire cette particule élémentaire de masse si élevée. Jusqu’ici, les deux expériences n’avaient observé le top que dans la production de paires quark-antiquark. Elles viennent de mettre en évidence un autre type de réaction encore plus rare où un seul quark top est produit en « célibataire ». Au-delà de la prouesse expérimentale, cette découverte qui a fait l'objet d’un article dans la revue Physical Review Letters1, permet de mesurer un des paramètres du modèle standard et confirme que les six quarks que nous connaissons sont les seuls nécessaires.
Depuis que le modèle standard de la physique des particules est confronté à l'expérience, rien n'a pu encore le faire vaciller. De toutes les particules qu'il décrit, seul le boson de Higgs n'a pas encore été découvert. Mais le modèle standard n'est vraisemblablement pas la théorie ultime : il n'intègre pas la gravitation et de nombreuses observations expérimentales restent inexpliquées.
Une nouvelle invariance, appelée supersymétrie, a été proposée dans les années 1970. Elle associe entre elles des particules ayant des spins différents (bosons de spin entier et fermions de spin demi-entier). Il est possible de construire des extensions supersymétriques du modèle standard qui viennent résoudre de façon élégante des problèmes mathématiques qui surgissent dans le calcul de la masse du boson de Higgs. Ces extensions marquent une étape vers une théorie complète des interactions qui permettra d'unifier toutes les interactions; électrique, magnétique, gravitationnelle, faible et nucléaire. Jusqu'ici, aucun partenaire supersymétrique de particules connues à ce jour n'a été découvert. L'expérience D01 qui prend des données auprès du Tevatron de Fermilab, (Etats-Unis) vient de publier2 des résultats concernant les recherches de bosons de Higgs qui sont nécessaires aux extensions supersymétriques du modèle standard. L'analyse a été réalisée avec l'ensemble des données disponible à ce jour, soit plus d'un milliard et demi d'événements.
Au Tevatron, collisionneur proton-antiproton de haute énergie, les bosons de Higgs supersymétriques pourraient être produits en abondance s'ils sont suffisamment légers. Un canal privilégié pour les mettre en évidence, est celui de leur production associée avec un quark beau3 (b), H0b. Comme les bosons de Higgs supersymétriques légers sont supposés eux-mêmes se désintégrer, dans 90% des cas, en deux quarks beaux, la recherche de la production de ce type d'événements revient donc à identifier des événements ayant au moins 3 jets4 issus de quarks beaux dans l'état final.
Avant l'entrée en fonction du LHC, le Tevatron situé au Fermi National Accelerator Laboratory, Fermilab (près de Chicago, États-Unis) reste le collisionneur le plus puissant du monde et le seul endroit où le quark top1 peut être produit.
L'expérience DØ vient de publier2 les résultats de mesure du taux de production de paires de quarks top-antitop. Cette quantité, dépendante de la valeur de la masse du quark top, permet de donner une prédiction sur cette masse dans le cadre du modèle standard3. Découvert en 1995 au Fermilab, le quark top reste un sujet de recherche très actif. Les méthodes d'analyse et la quantité de données ne cessent de s'améliorer permettant d'accroitre la précision de mesure de la masse du quark top. La mesure précise de cette valeur, associée à d'autres résultats de mesures de précision, permet d'estimer la valeur la plus probable de la masse du boson de Higgs. Ainsi l'étau se resserre autour de la quête du boson de Higgs en améliorant les mesures de la masse du quark top.
Le 14 novembre 2008, le solénoïde géant de CMS a produit avec succès son champ nominal de 4 T . Ce succès couronne les efforts de l'Irfu dans la conception et la réalisation du plus grand solénoïde supraconducteur du monde. Pendant cette période d’environ un mois, les équipes de CMS ont effectué une campagne de prise de données cosmiques ininterrompue avec le détecteur dans les conditions nominales, collectant ainsi 300 millions d'événements. Cette réussite a permis de mettre en valeur des compétences spécifiques à l’Irfu, notamment en matière de détection, de l’électronique à la reconstruction de traces en passant par les systèmes de contrôle.
η b, c’est le nom de la particule récemment découverte par les physiciens de l’expérience BaBar. Cet état fondamental du «bottomonium», ensemble des particules formées d’un quark b et d’un antiquark b , était recherché depuis plus de 30 ans et a été identifié dans les désintégrations de la particule Y(3S), un état excité du bottomonium, à partir des dernières données prises en 2008 par l’expérience BaBar. La mesure précise des caractéristiques de cette nouvelle particule est déterminante pour le test et la détermination des paramètres des modèles théoriques de l’interaction forte.
Les physiciens des collaborations CDF et DZero, en combinant leurs analyses sur les données prises ces cinq dernières années au Tevatron de Fermilab (Chicago), ont fait un pas de plus vers la mise en évidence du boson de Higgs, chaînon manquant tant recherché du modèle standard. CDF et DZero ont annoncé le 3 août à la conférence internationale de physique des hautes énergies de Philadelphie que la combinaison de leurs analyses combinées exclut avec une grande probabilité (95%) que la masse du boson de Higgs se situe autour de 170 GeV/c2 (c’est-à-dire environ 170 fois la masse du proton). Cette exclusion est particulièrement intéressante car les limites indirectes obtenues précédemment tendaient à indiquer que la masse du boson de Higgs se situerait plutôt entre 115 et 190 GeV/c2. Le résultat du Tevatron, fruit d’une recherche directe, rétrécit donc le domaine possible de masse de ce boson. C’est aussi le premier nouveau résultat de recherche directe du boson de Higgs après les résultats obtenus à l’accélérateur LEP du Cern qui s’est arrêté en 2001.
L’expérience BaBar qui se déroule auprès de l’accélérateur PEP-II au SLAC (Californie) prend des données depuis dix ans et a accumulé une telle quantité d’événements qu’elle permet de sonder les aspects les plus subtils à mettre en évidence du modèle standard de la physique des particules et de la théorie quantique des champs. En analysant au fil du temps les systèmes particule-antiparticule de mésons B produits en abondance, une équipe de chercheurs à laquelle participe l’Irfu/SPP a pu ainsi montrer que puisque l’Univers ne présentait pas de direction privilégiée, l’invariance de Lorentz, pierre de touche de la physique moderne, était bien respectée. Cette analyse originale se rapproche conceptuellement de la fameuse expérience de Michelson et Morley qui a démontré l’invariance de la vitesse de la lumière.
Le proton, un des éléments de base des noyaux atomiques, est constitué de quarks et de gluons. Mais peut-on photographier les gluons à l’intérieur du proton ? C’est-à-dire mettre au point une méthode qui donne accès à la répartition spatiale de ces composants dans le proton, donc à une échelle plus petite que le femtomètre (ou fermi, 10-15 m). Une première étape vient d’être franchie par l’expérience H1.
Le CNRS/IN2P3, le CEA/DSM et le Ministère des Affaires Etrangères ont signé le 16 octobre dernier une convention pour l’accueil dans les laboratoires français de chercheurs américains et japonais participant aux programmes du Large Hadron Collider (LHC) au Cern près de Genève.
CMS, l’expérience de physique des particules à la recherche du boson de Higgs auprès du LHC au Cern, à laquelle participe largement le Dapnia, vient d’être l’auteur d’un record mondial. En effet, lundi 28 Août à 12h25 mn, le solénoïde de CMS a produit un champ magnétique de 4 teslas occupant un volume de plus de 460 m3. C’est la première fois au monde qu’un champ magnétique aussi intense est produit dans un si grand volume. Cette performance est loin d’être anecdotique pour CMS, puisqu’il s’agit là du champ nominal prévu pour la mise en service de l’expérience.
CMS, l’expérience de physique des particules à la recherche du boson de Higgs auprès du LHC au Cern, est constituée de plusieurs détecteurs imbriqués les uns dans les autres, dont le calorimètre électromagnétique. La construction de ce calorimètre, constitué d’assemblages de plusieurs tonnes de cristaux, nécessite des outils géants d’une précision millimétrique. Le Dapnia a été chargé de la conception et de la réalisation de cet appareillage appelé Enfourneur. Grâce à lui, les deux premiers éléments du calorimètre électromagnétique ont été mis en place avec succès le 27 avril dernier.
L’expérience E158, réalisée auprès de l’accélérateur linéaire de Stanford en Californie, a récemment publié un test très précis de l’interaction faible entre deux électrons. Ce résultat repousse un peu plus loin les limites d’une nouvelle physique dont les physiciens recherchent ardemment la première manifestation.
Une nouvelle étape pour la validation des méthodes de reconstruction des trajectoires des muons dans le spectromètre de l'expérience Atlas vient d'être franchie grâce à l'importante contribution de l'IRFU à la conception et la réalisation du système d'alignement des chambres à fils et à sa validation expérimentale dans des tests auprès d'un faisceau de muons au Cern. Ces tests en vraie grandeur ont porté sur un ensemble de chambres correspondant à un centième de ce que contiendra le détecteur final. Les premiers résultats indiquent d'ores et déjà une précision de mesure meilleure que celle qui était requise pour le projet.
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Dernière mise à jour : 20-11-2024
