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Masses et Interactions Fondamentales

par Francois Legrand - 1er octobre

La découverte du boson de Higgs par les collaborations ATLAS et CMS
a été une étape cruciale de la recherche conduite par les physiciens expérimentateurs pendant les dernières décennies pour valider complètement le modèle standard. Le boson de Higgs était la seule particule prédite dans le cadre du modèle standard qui n’était pas encore observée. Ses propriétés atypiques (spin 0 notamment) et son rôle dans la théorie font de cette découverte une étape majeure dans notre compréhension du monde subatomique.

Trouver cette nouvelle particule dans une région de masse compatible avec les indications fournies par les autres mesures des paramètres du modèle standard a représenté une confirmation forte de la théorie. Néanmoins, cette découverte n’a pas encore permis de faire émerger une vision définitive de la physique des interactions fondamentales mais a au contraire ouvert la porte à de nombreuses questions qui restent sans réponse. Plusieurs aspects du modèle standard restent étranges et sa validité à haute énergie n’est pas confirmée. Si nous avons maintenant un mécanisme valide pour générer les masses des particules élémentaires dans la théorie, les valeurs spécifiques de ces masses restent, semble-t-il, arbitraires. De plus, leur distribution sur plusieurs ordres de magnitude, pour les leptons et les quarks, même sans considérer l’extension aux masses des neutrinos, n’a pas d’explication. Plus généralement, les nombreux paramètres introduits dans le modèle standard afin de décrire les mesures ont des valeurs qui ne sont pas prédites. Leur compréhension profonde requiert probablement une extension théorique, associée peut-être à une nouvelle physique au-delà du modèle standard.

La masse du boson de Higgs est corrigée par chaque particule à laquelle il couple et cette correction est d’autant plus grande que les particules sont lourdes. Le quark top introduit la correction la plus grande à la valeur théorique de la masse du boson de Higgs et le mécanisme qui empêche cette masse de devenir beaucoup plus grande sous l’effet de ces corrections n’est pas encore compris.

Enfin, le modèle standard n’inclut pas la gravité, une des quatre forces fondamentales, et ne fournit pas les éléments pour comprendre pourquoi la gravité est beaucoup plus faible que les interactions électrofaible et forte. En particulier, le modèle standard n’offre pas de candidat expliquant la structure microscopique de la matière noire dont des signes expérimentaux convaincants sont observés aux grandes échelles de l’Univers.

Au-delà de ces problèmes fondamentaux liés au modèle standard, beaucoup d’efforts seront nécessaires pour déterminer les caractéristiques du boson découvert récemment. Certains de ses couplages aux fermions ne sont pas encore mesurés et la nature de cette particule en tant que « boson de Higgs du modèle standard » doit être confirmée avec plus de précision. Certaines de ces caractéristiques, comme l’auto-couplage, sont même à la limite ou au-delà de la sensibilité des accélérateurs existants. Une compréhension précise des propriétés de cette particule va demander des améliorations significatives, en luminosité ou en énergie, des accélérateurs existants ou la construction de nouveaux.

Pendant les dernières années le LPNHE a contribué d’une manière significative à la compréhension du modèle standard avec l’expérience DØ au Tevatron et avec l’expérience ATLAS au LHC. 
En juillet 2012, les collaborations ATLAS et CMS ont annoncé la découverte du boson de Higgs à laquelle un groupe de physiciens du LPNHE a contribué de manière majeure au travers de l’analyse du mode de désintégration principal ayant donné la contribution la plus forte à la découverte : la désintégration en deux photons. Au même moment, les physiciens du LPNHE impliqués au Tevatron mettaient en évidence les couplages fermioniques du boson découvert au CERN. Depuis, le groupe ATLAS du LPNHE a contribué significativement aux études des propriétés de ce boson. Parallèlement, les physiciens du laboratoire ont eu des contributions importantes à la détermination des paramètres du modèle standard et à la recherche de nouvelle physique, par les mesures des sections efficaces des jets et la détermination des propriétés du quark top, le plus lourd fermion élémentaire du modèle standard. Ces études, qui ont aussi apporté des éléments importants pour les recherches du Higgs et la détermination de ses propriétés, représentent une contribution importante au programme d’analyse des données du LHC.

Parallèlement aux analyses déjà évoquées, le groupe participe aussi au fonctionnement de l’expérience ATLAS au travers de tâches d’intérêt général permettant d’assurer le bon fonctionnement du détecteur, de tâches de coordinations scientifiques sur la qualité des analyses et de contributions relatives à l’écriture ou à l’évaluation interne d’articles. En particulier, le groupe participe au développement du logiciel pour la reconstruction et l’analyse des données, au logiciel validant la qualité des données et à la mise en place des moyens de calcul et de stockage de l’expérience dans le cadre de la grille de calcul. Le groupe est aussi impliqué dans des collaborations avec d’autres laboratoires, en particulier à Cracovie (IFJ-PAN), à Johannesburg (Université de Witwatersand), en Chine (USTC Hefei et IHEP Pékin), à l’Université de Milan et à l’Université de Buenos Aires.

D’autres accélérateurs sont en cours de conception, comme l’« International Linear Collider » et le « Future Circular Collider ». Les groupes du LPNHE sont en bonne position pour jouer un rôle important dans ces projets et contribuent déjà aux études effectuées par la collaboration Calice.

Retrouvez ce texte dans le rapport d’activité 2015-2017 du LPNHE.

Collaborations : ATLASCDF / D0 ( CDFD0 )– ILD Calice

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