1 La physique des particules au démarrage du LHC Environnement Particules & Interactions, Univers...
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La physique des particules
au démarrage du LHC
EnvironnementParticules & Interactions, Univers
Cadre Description des 4 interactions, Modèle Standard
Apport du LHCHiggs, Matière Noire, Gravitation
L. Poggioli, LAL, OrsayConférence CNAM, 28/05/2008
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Environnement•Physique des particules•Particules & interactions•Notre Univers
CNAM-28/05/08 L.Poggioli 3
La recherche fondamentale Les étapes
– Observation– Abstraction– Modélisation– Prédiction
Exemples– La classification périodique des
éléménts– La Gravitation– Mais aussi : La Relativité Générale
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La physique des particules But
– Compréhension des forces fondamentales qui régissent l’univers
Moyens– Étude des constituants ultimes de la matière
et de leurs interactions• Éliminer les effets collectifs (atomiques,
nucléaires) et accéder aux forces fondamentales Comment
– Regarder à très petite distance/très haute énergie/très haute température/très tôt dans l’histoire de l’Univers
– Echelles• eV atome MeV noyau GeV proton TeV ??
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Les InteractionsGravitation (Newton 1687, Einstein 1915)
– Portée ∞, très faible intensitéElectromagnétique (Maxwell 1860)
– Portée ∞, unification électricité et magnétisme
Faible (Becquerel 1896, Fermi 1933)
– Courte portée, présente à l’échelle du noyau
– Désintégration β, fusion dans les étoilesForte (Rutherford 1911)
– Courte portée, présente à l’échelle du noyau
– Cohésion du noyau (répulsion des protons)
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Les particules Leptons : force faible & électromagnétique
– Électron, Muon (Hess 1937), Tau (Perl 1977)
– Neutrinos associés (Pauli 1930, Steinberger 1962)• νe introduit par Pauli pour comprendre la désintegration beta
Hadrons : force forte & électromagnétique– Plusieurs particules (ex. K, ,) -> Modèle des
quarks (Gell-Mann 1964) puis des partons (Feynman 1970)
• 6 quarks fabriquent tous les hadrons• u, d, s , c (Richter Ting 1974), b (Lederman 1976), t (1994)
Vecteurs de force (élect.), W/Z (Faible Rubbia 1983), gluon (forte)– W/Z massifs car force à courte portée
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Particules : Résumé
Antimatière– e+ observé dans les rayons cosmiques
(Anderson 1932)– Déficit énorme antimatière (10-10)– Asymétrie existe dans les interactions faibles (K,
B)• Pas suffisante pour expliquer le déficit• D’autres conditions/explications sont investiguées
MatièreFermions(Leptons & Quarks)Spin 1/2
Vecteurs de forceBosonsSpin 0, 1, 2
Spin : degré de liberté interne
3 familles
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Notre Univers : le Big-Bang
10-12s / 1000 GeVL’échelle du LHC
10-44s / 1019 GeVSupercordes ?4 interactions unifiées
10-37s / 1015 GeVSoupe de particules éléméntairesInteraction unique forte-faible-EM
300000 ansFormation des atomesL’Univers devient transparentRayonnement fossile (CMB)
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Notre Univers (2)Rayonnement fossile (CMB)
– Rayonnement de corps noir à 3K (COBE)-> Expansion de l’Univers
– Anisotropie du rayonnement (WMAP)-> Composition de l’Univers-> Graines pour la formation
des structures
Etude des Galaxies– Pas de dispersion des amas– Vitesse de rotation des galaxies
-> Matière cachée
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Notre Univers (3) Etude des SuperNovae
-> Expansion de l’Univers accéléré (SNLS 1999)
Composition de l’Univers– Matière ordinaire 4%– Matière Noire 23%– Energie noire 72%
Non-baryonic DM(23%)
Stars(0.5%)
BaryonicDM
(4%)
Dark Energy(72%)
Apports du LHC– Sur l’Unification des
interactions– Sur la matière noire– Sur l’Energie noire via
la Gravitation ?
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Cadre•Théories de jauge•Le Modèle Standard•Succès & Limites
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Les théories de jauge (1) Théorie quantique relativiste
– Allie Mécanique Quantique & Relativité Interaction
– Véhiculée par des champs de jauge (bosons)– Couplant des courants de matière (fermions)
Dynamique– Interaction possède des symétries
• i.e. invariante sous des transformations d’un groupe de jauge
• Ex: Invariance des équations de Maxwell -> Transformation de Lorentz
– Invariance locale crée la dynamique de l’interaction
1er Succès : l’ Electrodynamique Quantique (Tomonaga Schwinger Feynman 1948)
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Les théories de jauge (2)Ex : l’Electrodynamique quantique
– Groupe de symétrie U(1) (rotations)– Base : vertex courant/champ
avec force 1/2 (=1/137)Calcul de diffusion e+e-
– Chaque contribution s’ajoute : O(2)+O(3)+… converge
-> La théorie est renormalisable
Diagramme de Feynman
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Le Modèle Standard : Histoire Tentative d’unification de l’interaction
faible & électromagnétique– Avec messagers de masse ≠ 0 diverge (Fermi,
portée finie des int. faibles) Succès des théories de jauge (Yang-Mills 1950)
– Mais W,Z et fermions gardent une masse nulle
Le Breakthrough (Weinberg, Glashow, Salam 1967)– Description unifiée (Groupe SU(2)xU(1))– Symétrie brisée à nos énergies m()=0, m(W,Z) ≠
0– La symétrie est spontanément brisée
via le méchanisme de Higgs (Cf. Ferromagnétisme)
• Donne une masse au W, Z, fermions• Prédit l’existence du boson de Higgs
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Le mécanisme de Higgs
Champ de Higgs Particule Interaction ParticuleChamp de Higgs -> Masse
Propagation du Champ de Higgs
Le Higgs acquiert une masse
Cf. Phonons en Physique du solide
En 2 mots– Le Higgs remplit le vide et le rend
plus stable– Le couplage du Higgs qux
particules génère leur masse
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Le Modèle Standard : Triomphe
Il est renormalisable ‘t Hooft Veltman 1970 Quark charmé nécessaire à la consistance
du MS -> Observé en 1974
Prédictions vérifiées au O(0.1%) au LEP au CERN – « Prédit » la masse du quark top Observé en 1994
– 3 générations de neutrinos Théorie de jauge des intéractions fortes
intégrée dans MS Gross, Politzer,Wilcek 1973
– Symétrie SU(3) non-brisée– Présente la liberté asymptotique (force
augmente avec la distance pour cohésion des nucléons)
• Observée en 1970 (Taylor et al.) -> Modèle des partons
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Modèle Standard : Ce qui manque
Trop de paramètres libres (19!)Ne dit rien sur
– La masse du Higgs– La masse des neutrinos– Un candidat possible à
la Matière NoireN’inclut pas la GravitéPas d’unification des 3
interactions de jauge
Mais plus qu’un modèle : une Théorie !!
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Le problème de HiérarchieLe problème
– Comment stabiliser le MS du O(TeV) jusqu’à l’échelle de Gravitation,i.e. MPlanck=1019 GeV ?
– Ou Pourquoi une telle différence d ’échelle entre la Gravité & les autres interactions ?
Dans les faits– Les corrections à la masse du Higgs
envoient MH -> ∞ or MH < 1 TeV dans MS
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Les alternativesAlt 1: Supersymétrie
– Chaque particule -> partenaire SUSY • Résout le problème de hiérarchie si O(TeV)
Alt 2: Dimensions supplémentaires – Gravité « forte » mais diluée dans des
extra dimensions -> MPlanck effective O(TeV)
Alt 3 Pas de Higgs : Technicouleur– Nouvelle interaction forte O(TeV)
• Plus de scalaire -> plus de problème de hiérarchie
• Brisure de symétrie dynamique• Peu favorisée par mesures à LEP
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Apport du LHC•Higgs•Supersymétrie•Extra Dimensions•Trous Noirs
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Higgs : Où le chercher Théorie -> mH < TeV
– Arguments de trivialité & stabilité
– Régularise l’amplitude WLWL->WLWL O(TeV)
Expérimental– mH>114.4 GeV (LEP)
– mH <186 GeV @ 95%CL (EW fit Moriond06)
Λ : Echelle de validité du MS
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Le Higgs : Comment le chercherCe qu’on sait
– Modes de production prédits par MS– Modes de désintégration prédits par MS
Stratégie – Combiner différents
états initiaux & finaux– -> Observation
couvrant toute la gamme en masse et redondante
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Le Higgs : En ce momentLa concurrence du Tevatron
– Energie ÷ 7 par rapport au LHC– -> Compense en accumulant des
données– Analyses plus complexes qu’au LHC En chiffres
– Exclusion @ 160 GeV à l’été
– Exclusion -> 200 GeV en 2010 ?
– Course avec le LHC
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Le Higgs au LHC (1)Très vite
– Exclusion dès 2009 sur toute l’échelle
– Découverte > 140 GeVfin 2009 début 2010
Etudes robustes
Exqq-> qqHH-> τ+τ-
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Potentiel de découverte du LHC– Découverte assurée– Production
• gg->H, qqH (VBF),ttH
– Désintégration• bb, WW, γγ, τ+τ-
Aussi– Mesures de précision
•Spin, Parité, rapports d’embranchements
– -> Contraintes sur le Modèle
Le Higgs au LHC (2)
30fb-1
No K-factor
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La Supersymétrie (SUSY)Symétrie Bosons <-> FermionsAtouts
– Intègre • Gravitation & Grande Unification• Brisure de l’interaction élec/faible
– Fournit un candidat Matière noire avec la bonne densité relique (neutralino χ1
0 Lightest SuSy Particle)– Les SuperCordes (10D -> SUSY à 4D)– Stabilise le MS si SUSY O(TeV) -> Riche
phénoménologie au LHC • squarks, sleptons, gluinos, charginos,
neutralinos
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Découverte– Topologie claire
• Jets de hadrons, • Leptons
• ETmiss (LSP est invisible)
– Evaluation précise• bruits de fond (physiques &
instrumentaux)
SUSY : Recherche
1 Lepton
Sensibilité– Accessible fin 2009
Squark, gluinoMreach ~1.5-2 TeV
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Observer OK mais– Discriminer les modèles– Mesurer les paramètres
Chaîne typique SUSY
Mesure des “end-points”– Déduction des masses
χ20, qL,lR,χ1
0 ~10-15% après ajustement
Répété pour d’autres cascades – Contrainte du modèle & ses
paramètres
SUSY : MesuresmSUGRASPS1a
LSP
Désintégration de squark
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Dimensions suppléméntaires (1)Pourquoi ?– Gravitation (4D) non testée pour
d<0.1mm
– Gravité diluée dans des extra dimensions compactifiées Rcompact (bulk)•Peut ramener échelle de Planck à O(TeV)•Apparaît faible -> résout la hiérarchie
Que voit-on– Spectre d’excitation des particules
•Modes de Kaluza Klein•Spectre en 1/Rcompact
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ADD (R>>TeV-1)– Echelle effective
• MPL2 ~ MD
2+ R
MD ~ TeV pour R << mm
– Production de Graviton• Jets (γ) + ET
miss
• KK excitation = continuum
– Découverte • MD ~ 5-6 TeV pour δ=4-3
O(TeV-1)– En plus KK excitation des W/Z– Découverte O(4-5TeV)
Dimensions supplémentaires (2)
W(1)
100 fb-1
G(k)
Fond calibré par Z j -> ll j
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Randall-Sundrum – 1 seule Xdim (R~1/MPlanck)– Phénoménologie O(TeV)– Graviton étroit
Universelles (UED)– Toutes particules -> Bulk– Spectre KK peut simuler SUSY/ à l’étude
NB : La théorie des cordes – Pont entre théorie quantique et
Relativité générale <-> entre Gravitation et autres forces
– Fonctionne seulement avec Ndimensions ~10
Dimensions supplémentaires (3)
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Pourquoi ?– Objets confinés Rs. Si paramètre
d’impact <Rs -> Trous noirs produits !!
Comment– Comportement
~corps noir– Désintégration
•Isotrope•Démocratique (toutes les particules
produites), i.e W/Z, Higgs, TopAu LHC
Des trous noirs au LHC ?
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Pour conclure Il doit se passer quelque chose
O(TeV) au niveau constituants– Plusieurs scénarii possibles
• SUSY est le plus attirant / prédictif
Le LHC est la 1re machine exploratoire qui va y accéder et étudier ces scénarii– Comprendre la brisure de symétrie EW– Origine de la masse– Fournir des mesures quantitatives
Résultats dès fin 2009 !